12Funciones vectoriales

12
Funciones vectoriales
Se construye una “rueda giratoria” usando los principios básicos
de una rueda de bicicleta. Cuando se está cerca de la parte de la “rueda
giratoria” en movimiento, las fuerzas de rotación y el peso se combinan
para producir mayor aceleración. ¿Por qué piensa que la aceleración en
la parte superior de una “rueda giratoria” en movimiento no sea tan
grande como en la parte inferior? Explicar.
Una función vectorial asigna a
números reales vectores. Se puede
usar una función vectorial para
representar el movimiento de una
partícula a lo largo de una curva.
En la sección 12.3, se usa la primera
y segunda derivada de un vector de
posición para hallar velocidad y
aceleración de una partícula.
Paul Hardy/Corbis
831
832
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Sección 12.1
Funciones vectoriales
• Analizar y dibujar una curva en el espacio dada por una función vectorial.
• Extender los conceptos de límite y continuidad a funciones vectoriales.
Curvas en el espacio y funciones vectoriales
En la sección 10.2, se definió una curva plana como el conjunto de pares ordenados
f t, g t junto con sus ecuaciones paramétricas
x f t
y
y gt
donde f y g son funciones continuas de t en un intervalo I. Esta definición puede
extenderse de manera natural al espacio tridimensional, como sigue. Una curva en el
espacio C es el conjunto de todas las ternas ordenadas f t, gt, ht junto con sus
ecuaciones paramétricas
x f t,
y gt,
y
z ht
donde ƒ, g y h son funciones continuas de t en un intervalo I.
Antes de ver ejemplos de curvas en el espacio, se introduce un nuevo tipo de función, llamada función vectorial. Este tipo de función asocia a números reales vectores.
Definición de función vectorial
Una función de la forma
rt f t i gt j
Plano.
rt f t i gt j ht k
Espacio.
o
es una función vectorial donde las funciones componentes ƒ, g y h son funciones del parámetro t. Algunas veces las funciones vectoriales se denotan
como rt f t, gt o rt f t, gt, ht.
Técnicamente, una curva en el plano o en el espacio consiste en una colección de
puntos y ecuaciones paramétricas que la definen. Dos curvas diferentes pueden tener
la misma gráfica. Por ejemplo, cada una de las curvas dadas por
r sen
sin t i cos t j
La curva C es trazada por el punto final del
vector posición r(t)
Figura 12.1
y
r sen
sin t 2 i cos t 2 j
tiene como gráfica el círculo unidad o unitario, pero estas ecuaciones no representan
la misma curva porque el círculo está trazado de diferentes maneras.
Asegúrese de ver la diferencia entre la función vectorial r y las funciones reales
ƒ, g y h. Todas son funciones de la variable real t, pero r(t) es un vector, mientras que
ƒ(t), g(t) y h(t) son números reales (para cada valor específico de t).
Las funciones vectoriales juegan un doble papel en la representación de curvas.
Tomando como parámetro t el tiempo, se puede usar una función vectorial para representar el movimiento a lo largo de una curva. O, en el caso más general, se puede
usar una función vectorial para trazar la gráfica de una curva. En ambos casos, el
punto final del vector posición r(t) coincide con el punto (x, y) o (x, y, z) de la curva
dada por las ecuaciones paramétricas, como se muestra en la figura 12.1. La punta de
flecha en la curva indica la orientación de la curva apuntando en la dirección de valores crecientes de t.
SECCIÓN 12.1
Funciones vectoriales
833
A menos que se especifique otra cosa, se considera que el dominio de una función vectorial r es la intersección de los dominios de las funciones componentes ƒ, g
y h. Por ejemplo, el dominio de rt ln t i 1 t j tk es el intervalo 0, 1.
EJEMPLO 1
Trazado de una curva plana
Dibujar la curva plana representada por la función vectorial
rt 2 cos ti 3 sen
sin tj, 0 ≤ t ≤ 2.
Función vectorial.
Solución A partir del vector de posición rt, se pueden dar las ecuaciones paramétricas x 2 cos t y y 3 sen
sin t. Despejando cos t y sen t y utilizando la identidad
cos 2 t sen
sin2 t 1 se obtiene la ecuación rectangular
La elipse es trazada en el sentido de las
manecillas del reloj a medida que t aumenta
de 0 a 2π
Figura 12.2
x2 y 2
2 1.
22
3
Ecuación rectangular.
La gráfica de esta ecuación rectangular es la elipse mostrada en la figura 12.2. La
curva está orientada en el sentido de las manecillas del reloj. Es decir, cuando t
aumenta de 0 a 2π, el vector de posición r(t) se mueve en el sentido de las manecillas
del reloj, y sus puntos finales describen la elipse.
EJEMPLO 2
Trazado de una curva en el espacio
Dibujar la curva en el espacio representada por la función vectorial
rt 4 cos ti 4 sen
sin tj tk, 0 ≤ t ≤ 4.
Función vectorial.
Solución De las dos primeras ecuaciones paramétricas x 4 cos t y y 4 sen t, se
obtiene
x 2 y 2 16.
A medida que t aumenta de 0 a 4 , se
describen dos espirales sobre la hélice
Figura 12.3
Ecuación rectangular.
Esto significa que la curva se encuentra en un cilindro circular recto de radio 4, centrado en el eje z. Para localizar en este cilindro la curva, se usa la tercera ecuación
paramétrica z t. En la figura 12.3, nótese que a medida que t aumenta de 0 a 4, el
punto x, y, z sube en espiral por el cilindro describiendo una hélice. Un ejemplo de
una hélice de la vida real se muestra en el dibujo inferior de la izquierda.
En los ejemplos 1 y 2 se dio una función vectorial y se pidió dibujar la curva correspondiente. Los dos ejemplos siguientes se refieren a la situación inversa: hallar
una función vectorial para representar una gráfica dada. Claro está que si la gráfica se
da en forma paramétrica, su representación por medio de una función vectorial es
inmediata. Por ejemplo, para representar en el espacio la recta dada por
x 2 t, y 3t
En 1953 Francis Crick y James D. Watson
descubrieron la estructura de doble hélice
del ADN lo que llevó a la industria de la
biotecnología de $30 miles de millones
por año.
y
z4t
se usa simplemente la función vectorial dada por
rt 2 t i 3tj 4 t k.
Si no se da un conjunto de ecuaciones paramétricas para la gráfica, el problema de
representar la gráfica mediante una función vectoral se reduce a hallar un conjunto de
ecuaciones paramétricas.
834
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
EJEMPLO 3
Representación de una gráfica mediante
una función vectorial
Representar la parábola dada por y x 2 1 mediante una función vectorial.
Solución Aunque hay muchas maneras de elegir el parámetro t, una opción natural
es tomar x t. Entonces y t 2 1 y se tiene
rt ti t 2 1 j.
Hay muchas maneras de parametrizar esta
gráfica. Una manera es tomar x t
Figura 12.4
Función vectorial.
Nótese en la figura 12.4 la orientación obtenida con esta elección particular de
parámetro. Si se hubiera elegido como parámetro x t, la curva hubiera estado
orientada en dirección opuesta.
EJEMPLO 4
Representación de una gráfica mediante
una función vectorial
Dibujar la gráfica C representada por la intersección del semielipsoide
x2
y2
z2
1, z ≥ 0
12 24
4
y el cilindro parabólico y x 2. Después, hallar una función vectorial que represente
la gráfica.
Solución En la figura 12.5 se muestra la intersección de las dos superficies. Como
en el ejemplo 3, una opción natural para el parámetro es x t. Con esta opción, se
usa la ecuación dada y x2 para obtener y t 2. Entonces
NOTA Las curvas en el espacio pueden
especificarse de varias maneras. Por
ejemplo, la curva del ejemplo 4 se
describe como la intersección de dos
superficies en el espacio.
z2
x2
y2
t2
t4
24 2t 2 t 4
1
1
.
4
12 24
12 24
24
Como la curva se encuentra sobre el plano xy para z, hay que elegir la raíz cuadrada
positiva y obtener las ecuaciones paramétricas siguientes.
x t,
y t 2,
y
z
24 2t 2 t 4
6
La función vectorial resultante es
rt ti t 2 j 24 2t6
2
t4
k, 2 ≤ t ≤ 2.
Función vectorial.
De los puntos (2, 4, 0) y (2, 4, 0) que se muestran en la figura 12.5, se ve que la
curva es trazada a medida que t aumenta de 2 a 2.
La curva C es la intersección del semielipsoide y el cilindro parabólico
Figura 12.5
SECCIÓN 12.1
Funciones vectoriales
835
Límites y continuidad
Muchas de las técnicas y definiciones utilizadas en el cálculo de funciones reales se
pueden aplicar a funciones vectoriales. Por ejemplo, las funciones vectoriales se
pueden sumar y restar, multiplicar por un escalar, tomar su límite, derivarlas, y así
sucesivamente. La estrategia básica consiste en aprovechar la linealidad de las operaciones vectoriales y extender las definiciones en una base, componente por componente. Por ejemplo, para sumar o restar dos funciones vectoriales (en el plano), se
tiene
r1t r2t f1t i g1t j f2t i g2t j
f1t f2t i g1t g2t j
r1t r2t f1t i g1t j f2t i g2t j
f1t f2t i g1t g2t j.
Suma.
Resta.
De manera similar, para multiplicar y dividir una función vectorial por un escalar, se
tiene
crt c f1t i g1t j
cf1t i cg1t j
rt f1t i g1tj , c0
c
c
f t
g t
1 i 1 j.
c
c
Multiplicación escalar.
División escalar.
Esta extensión, componente por componente, de las operaciones con funciones reales
a funciones vectoriales se ilustra más ampliamente en la definición siguiente del límite
de una función vectorial.
Definición del límite de una función vectorial
1. Si r es una función vectorial tal que rt f t i gt j, entonces
lim
lim f t i lím
lim g t j
lím rt lím
t→a
t→a
t→a
Plano.
siempre que existan los límites de f y g cuando t → a.
2. Si r es una función vectorial tal que rt f t i gt j ht k, entonces
lim rt lím
lim f t i lim
lim ht k
lím
lím g t j lím
t→a
t→a
t→a
t→a
Espacio.
siempre que existan los límites de f, g y h cuando t → a.
Si rt tiende al vector L cuando t → a, la longitud del vector rt L tiende a
0. Es decir,
rt L → 0
A medida que t tiende a a, r(t) tiende al límite
L. Para que el límite L exista, no es necesario
que r(a) esté definida o que r(a) sea igual a L
Figura 12.6
como
t → a.
Esto se ilustra de manera gráfica en la figura 12.6. Con esta definición del límite de
una función vectorial, se pueden desarrollar versiones vectoriales de la mayor parte de
los teoremas del límite dados en el capítulo 1. Por ejemplo, el límite de la suma de dos
funciones vectoriales es la suma de sus límites individuales. También, se puede usar
la orientación de la curva r(t) para definir límites unilaterales de funciones vectoriales.
La definición siguiente extiende la noción de continuidad a funciones vectoriales.
836
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Definición de continuidad de una función vectorial
Una función vectorial r es continua en un punto dado por t a si el límite de
rt cuando t → a existe y
lím rt ra.
lim
t→a
Una función vectorial r es continua en un intervalo I si es continua en todos
los puntos del intervalo.
De acuerdo con esta definición, una función vectorial es continua en t a si y
sólo si cada una de sus funciones componentes es continua en t a.
EJEMPLO 5
Continuidad de funciones vectoriales
Analizar la continuidad de la función vectorial dada por
rt ti aj a 2 t 2k
a es una constante.
cuando t 0.
Solución Cuando t tiende 0, el límite es
lím a 2 t 2 k
lim rt lim
lim a j lim
lím
lím t i lím
t→0
t→0
0i aj aj a 2k.
t→0
t→0
a2 k
Como
r0 0 i a j a 2k
aj a 2 k
se concluye que r es continua en t 0. Mediante un razonamiento similar, se concluye que la función vectorial r es continua en todo valor real de t.
Para cada a, la curva representada por la función vectorial del ejemplo 5,
rt ti aj a 2 t 2k
a es una constante.
es una parábola. Uno se puede imaginar cada una de estas parábolas como la intersección del plano vertical y a con el paraboloide hiperbólico
y2 x2 z
como se muestra en la figura 12.7.
Para todo a, la curva representada
por la función vectorial
r t t i a j a 2 t 2k es una
parábola
Figura 12.7
TECNOLOGÍA Casi cualquier tipo de dibujo tridimensional es difícil hacerlo a
mano, pero trazar curvas en el espacio es especialmente difícil. El problema consiste en crear la impresión de tres dimensiones. Las graficadoras usan diversas técnicas para dar la “impresión de tres dimensiones” en gráficas de curvas en el espacio: una manera es mostrar la curva en una superficie, como en la figura 12.7.
SECCIÓN 12.1
Funciones vectoriales
837
Ejercicios de la sección 12.1
En los ejercicios 1 a 8, hallar el dominio de la función vectorial.
1. rt 5t i 4t j 1
k
t
En los ejercicios 17 a 20, asociar la ecuación con su gráfica. [Las
gráficas están marcadas a), b), c) y d).]
a)
b)
c)
d)
2. rt 4 t i t j 6t k
2
2
3. rt ln t i e t j t k
4. rt sen
sin t i 4 cos t j t k
5. rt Ft Gt where
donde
Ft cos t i sen
sin t j t k,
Gt cos t i sen
sin t j
6. rt Ft Gt where
donde
Ft ln t i 5t j 3t 2 k, Gt i 4t j 3t 2 k
7. rt Ft Gt where
donde
Ft sen
sin t i cos t j, Gt sen
sin t j cos t k
8. rt Ft Gt donde
where
Ft t 3 i t j t k,
3 t i Gt 1
j t 2 k
t1
En los ejercicios 9 a 12, evaluar (si es posible) la función vectorial en cada valor dado de t.
9. rt 1 2
2t i
a) r1
t 1 j
b) r0
10. rt cos t i 2 sen
sin t j
b) r4
c) r d) r6 t r6
b) r3
c) rt 4
d) r1 t r1
12. rt t i t 32 j et4 k
a) r0
b) r4
20. rt t i ln t j 2t
k, 0.1 ≤ t ≤ 5
3
21. Para pensar Las cuatro figuras siguientes son gráficas de la
función vectorial
sin t j rt 4 cos t i 4 sen
1
11. rt ln t i j 3t k
t
a) r2
sin t j t 2 k, 1 ≤ t ≤ 1
18. rt cos t i sen
19. rt t i t 2 j e0.75t k, 2 ≤ t ≤ 2
c) rs 1
d) r2 t r2
a) r0
17. rt t i 2t j t 2 k, 2 ≤ t ≤ 2
c) rc 2
t
k.
4
Asociar cada una de las gráficas con el punto en el espacio
desde el cual se ve la hélice. Los cuatro puntos son 0, 0, 20,
20, 0, 0, (20, 0, 0) y 10, 20, 10.
a)
b)
c)
d)
d) r9 t r9
En los ejercicios 13 y 14, hallar r t .
sin 3t i cos 3t j t k
13. rt sen
14. rt t i 3t j 4t k
Para pensar En los ejercicios 15 y 16, hallar rt ut. ¿Es el
resultado una función vectorial? Explicar.
1
15. rt 3t 1 i 4 t 3 j 4k
ut t 2 i 8j t 3 k
sin t, t 2
16. rt 3 cos t, 2 sen
ut 4 sen
sin t, 6 cos t, t 2 838
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
22. Dibujar tres gráficas de la función vectorial
En los ejercicios 45 a 52, representar la curva plana por medio
de una función vectorial. (Hay varias respuestas correctas.)
rt t i t j 2k
vista desde el punto.
a) 0, 0, 20
b) 10, 0, 0
c) 5, 5, 5
En los ejercicios 23 a 38, dibujar la curva representada por la
función vectorial y dar la orientación de la curva.
23. rt 3t i t 1 j
24. rt 1 ti t j
25. rt t i t j
26. rt t 2 ti t 2 tj
sin j
27. r cos i 3 sen
sin t j
28. rt 2 cos t i 2 sen
29. r 3 sec i 2 tan j
sin3 tj
30. rt 2 cos3 t i 2 sen
3
2
31. rt t 1 i 4t 2 j 2t 3 k
45. y 4 x
46. 2x 3y 5 0
47. y x 22
48. y 4 x 2
49. x 2 y 2 25
50. x 22 y 2 4
2
51.
2
x
y
1
16
4
52.
y2
x2
1
16
9
53. Una partícula sigue una trayectoria recta que pasa por los puntos
(2, 3, 0) y (0, 8, 8). Hallar una función vectorial para la trayectoria. Usar un sistema computacional para álgebra a fin de representar gráficamente la función. (Hay varias respuestas correctas.)
54. El borde exterior de un tobogán tiene forma de hélice de radio
1.5 metros. El tobogán tiene una altura de 2 metros y da una
vuelta completa de arriba abajo. Hallar una función vectorial
para la hélice. Usar un sistema computacional para álgebra a fin
de representar gráficamente la función. (Hay varias respuestas
correctas.)
32. rt t i 2t 5 j 3t k
sin t j t k
33. rt 2 cos t i 2 sen
t
sin t j k
34. rt 3 cos t i 4 sen
2
sen t i 2 cos t j et k
35. rt 2 sin
3
36. rt t 2 i 2tj 2 tk
En los ejercicios 55 a 58, hallar funciones vectoriales que forman los límites de la región en la figura. Dar el intervalo correspondiente al parámetro de cada función.
2
37. rt t, t 2, 3 t 3
sin t, sen
sin t t cos t, t
38. rt cos t t sen
55.
56.
57.
58.
En los ejercicios 39 a 42, usar un sistema computacional para
álgebra a fin de representar gráficamente la función vectorial e
identificar la curva común.
3 2
1
t k
39. rt t 2 i t j 2
2
40. rt t i 3
t2j 2
sin t i 41. rt sen
1 2
t k
2
23 cos t 21 tj 12 cos t 23 k
sin t i 2 cos t j 2 sen
sin t k
42. rt 2 sen
Para pensar En los ejercicios 43 y 44, usar un sistema computacional para álgebra a fin de representar gráficamente la función vectorial rt. Para cada ut, conjeturar sobre la transformación (si la hay) de la gráfica de rt. Usar un sistema computacional para álgebra con objeto de verificar la conjetura.
sin tj 12 tk
43. rt 2 cos t i 2 sen
sin t j 12 t k
a) ut 2cos t 1i 2 sen
b) ut 2 cos t i 2 sin
sen t j 2t k
En los ejercicios 59 a 66, dibujar la curva en el espacio representada por la intersección de las superficies. Después representar la curva por medio de una función vectorial usando el
parámetro dado.
sint j 12t k
c) ut 2 cost i 2 sen
Superficies
Parámetro
1
sin t j 2 cos t k
d) ut 2t i 2 sen
59. z x 2 y 2,
xy0
xt
sin t j e) ut 6 cos t i 6 sen
60. z z4
x 2 cos t
1
2t k
1
44. rt t i t 2j 2 t 3 k
a) ut t i t2
2 j c) ut t i d) ut t i t 2j 1 3
2t 1 3
8t k
y 2,
61. x 2 y 2 4,
1 3
2t k
1
b) ut t 2 i t j 2 t 3 k
t 2j
x2
62.
4x 2
4y 2
z x2
z2
16,
63. x 2 y 2 z 2 4,
4k
1
x
xz2
zt
x 1 sin
sen t
y2 z2 4
x 2 sen
sin t
octante)
x t (primer
first octant
66. x 2 y 2 z 2 16, xy 4
octante)
first octant
x t (primer
64.
x2
y2
z2
65. x 2 z 2 4,
e) ut ti t2j 2t3k
sen t
x 2 sin
z2
10,
xy4
SECCIÓN 12.1
rt t i 2t cos tj 2t sen
sin tk
se encuentra en el cono 4x 2 y 2 z 2. Dibujar la curva.
68. Mostrar que la función vectorial
rt et cos t i et sen
sin tj et k
se encuentra en el cono z 2 x 2 y 2. Dibujar la curva.
En los ejercicios 69 a 74, evaluar el límite.
tt 2t4 j 1t k
sen
sin t
lim e i j e k
70. lím
t
1 cos t
lim t i 3t j k
71. lím
t
ln t
j 2t k
lim t i 72. lím
t 1
1
sin t k
lim i cos t j sen
73. lím
t
1
t
lím e i j k
74. lim
t
t 1 t→2
2
lim
lim rt lím
lim ut.
lím rt ut lím
t→c
t→c
t→c
86. Sean rt y ut funciones vectoriales cuyos límites existen cuando t → c. Demostrar que
lím rt ut lim
lím rt lím
lim ut.
lim
t→c
t→c
t→c
87. Verificar que el converso de lo que se afirma en el ejercicio 87
no es verdad encontrando una función vectorial r tal que r sea continua en c pero r no sea continua en c.
88. Demostrar que si r es una función vectorial continua en c, entonces r es continua en c.
2
t
t
¿Verdadero o falso? En los ejercicios 89 a 92, determinar si la
declaración es verdadera o falsa. Si es falsa, explicar por qué o
dar un ejemplo que pruebe que es falsa.
t→0
2
t→0
89. Si ƒ, g y h son funciones polinómicas de primer grado, entonces
la curva dada por x f t, y g(t) y z ht es una recta.
2
2
t→1
90. Si la curva dada por x f t, y g(t) y z ht es una recta,
entonces ƒ, g y h son funciones polinómicas de primer grado de t.
t→0
t→ 839
85. Sean rt y ut funciones vectoriales cuyos límites existen cuando t → c. Demostrar que
67. Mostrar que la función vectorial
69. lím
lim t i Funciones vectoriales
t
91. Dos partículas que viajan a lo largo de las curvas
rt ti t 2 j y ut 2 ti 8t j chocarán.
2
En los ejercicios 75 a 80, determinar el (los) intervalo(s) en que
la función vectorial es continua.
75. rt t i 1
j
t
76. rt t i t 1 j
77. rt t i arcsin
sent j t 1 k
78. rt 2et i et j lnt 1 k
79. rt et, t 2, tan t
3 t
80. rt 8, t, Desarrollo de conceptos
81. Dar la definición de una función vectorial en el plano y en
el espacio.
82. Si rt es una función vectorial, ¿es la gráfica de la función
vectorial ut rt 2 una traslación horizontal de la
gráfica de rt? Explicar el razonamiento.
83. Considerar la función vectorial
rt t 2 i t 3j tk.
Dar una función vectorial st que sea la transformación
especificada de r.
a) Una traslación vertical tres unidades hacia arriba
b) Una traslación horizontal dos unidades en dirección del
eje x negativo
c) Una traslación horizontal cinco unidades en dirección
del eje y positivo
84. Dar la definición de continuidad para una función vectorial. Dar un ejemplo de una función vectorial que esté
definida pero no sea continua en t 2.
j t cos t k se en92. La función vectorial rt t2 i t sin tsen
cuentra en el paraboloide x y 2 z2.
Proyecto de trabajo: Hechicera o bruja
de Agnesi
En la sección 3.5 se estudió una curva famosa llamada hechicera de
Agnesi. En este proyecto se profundiza sobre esta función.
Considérese un círculo de radio a centrado en el punto (0, a)
del eje y. Sea A un punto en la recta horizontal y 2a, O el origen
y B el punto donde el segmento OA interseca el círculo. Un punto P
está en la hechicera de Agnesi si P se encuentra en la recta horizontal a través de B y en la recta vertical a través de A.
a) Mostrar que el punto A está descrito por la función vectorial
rA 2a cot i 2aj, 0 < < donde θ es el ángulo formado por OA con el eje x positivo.
b) Mostrar que el punto B está descrito por la función vectorial
sen 2 i a1 cos 2 j,
rB a sin
0 < < .
c) Combinar los resultados de los apartados a) y b) para hallar la
función vectorial r(θ) para la hechicera de Agnesi. Usar una
graficadora para representar esta curva para a 1.
lím r y lím
lim r.
d) Describir los límites lim
→0
→
e) Eliminar el parámetro θ y determinar la ecuación rectangular de
la hechicera de Agnesi. Usar una graficadora para representar
esta función para a 1 y comparar la gráfica con la obtenida en
el apartado c).
840
CAPÍTULO 12
Sección 12.2
Funciones vectoriales
Derivación e integración de funciones vectoriales
• Derivar una función vectorial.
• Integrar una función vectorial.
Derivación de funciones vectoriales
En las secciones 12.3 a 12.5 se estudian varias aplicaciones importantes que emplean
cálculo de funciones vectoriales. Como preparación para ese estudio, esta sección está
dedicada a las mecánicas de derivación e integración de funciones vectoriales.
La definición de la derivada de una función vectorial es paralela a la dada para
funciones reales.
Definición de la derivada de una función vectorial
La derivada de una función vectorial r se define como
r t lím
lim
t→0
rt t rt
t
para todo t para el cual existe el límite. Si r c existe para todo c en un intervalo abierto I, entonces r es derivable en el intervalo I. La derivabilidad de funciones vectoriales puede extenderse a intervalos cerrados considerando límites
unilaterales.
NOTA Además de la notación r t, otras notaciones para la derivada de una función vectorial son
Dt rt,
d
rt, y
dt
dr
.
dt
La derivación de funciones vectoriales puede hacerse componente por componente. Para ver esto, considérese la función dada por
r t f ti gt j.
Aplicando la definición de derivada se obtiene lo siguiente.
r t t r t
t
f t t i gt t j f ti g t j
lím
lim
t→0
t
f t t f t
gt t gt
lim
i
j
lím
t→0
t
t
f t t f t
gt t gt
lím
lim
i lim
lím
t→0
t→0
t
t
f t i gt j
rt lím
lim
t→0
Figura 12.8
j
Este importante resultado se enuncia en el teorema de la página siguiente. Nótese que
la derivada de la función vectorial r es también una función vectorial. En la figura 12.8
se ve que r t es un vector tangente a la curva dada por rt y que apunta en la dirección de los valores crecientes de t.
SECCIÓN 12.2
TEOREMA 12.1
Derivación e integración de funciones vectoriales
841
Derivación de funciones vectoriales
1. Si rt f t i gt j, donde ƒ y g son funciones derivables de t, entonces
r t ft i g t j.
Plano.
2. Si rt f t i gt j h tk, donde ƒ, g y h son funciones derivables de t,
entonces
r t ft i g t j h tk.
EJEMPLO 1
Espacio.
Derivación de funciones vectoriales
Hallar la derivada de cada una de las funciones vectoriales.
a) rt t 2 i 4j
b) rt 1
i ln tj e 2t k
t
Solución Derivando componente por componente se obtiene lo siguiente.
a) r t 2ti 0j
2ti
Derivada.
1
1
b) r t 2 i j 2e 2t k
t
t
Derivada.
Derivadas de orden superior de funciones vectoriales se obtienen por derivación
sucesiva de cada una de las funciones componentes.
EJEMPLO 2
Derivadas de orden superior
Una función vectorial está dada por rt cos ti sen
sin tj 2tk, Hallar lo siguiente.
a) r t
c) r t r t
b) r t
d) r t r t
Solución
a) r t sin
sen ti cos tj 2k
b) r t cos ti sen
sin tj 0k
cos ti sen
sin tj
Primera derivada.
Segunda derivada.
c) rt r t sen
sin t cos t sen
sin t cos t 0
i
j
k
sen t cos t 2
d) r t r t sin
sen t 0
cos t sin
cos t
2
sin
sen t
i
sin
0
cos t
sen t
2 sen
sin ti 2 cos tj k
Producto escalar.
Producto vectorial.
sen t
2
sin
cos t
j
k
0
cos t sin
sen t
Nótese en el apartado c) que el producto escalar es una función real, no una función
vectorial.
842
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
La parametrización de la curva representada por la función vectorial
rt f t i gtj h tk
es suave en un intervalo abierto I si f, g , y h son continuas en I y r t 0 para
todo valor de t en el intervalo I.
EJEMPLO 3
Intervalos en los que una curva es suave
Hallar los intervalos en los que el epicicloide C dado por
rt 5 cos t cos 5ti 5 sen
sin t sen
sin 5tj, 0 ≤ t ≤ 2
es suave.
Solución La derivada de r es
r t 5 sen
sin t 5 sen
sin 5ti 5 cos t 5 cos 5tj.
En el intervalo 0, 2, los únicos valores de t para los cuales
r t 0i 0j
son t 0, 2, , 32, y 2. Por consiguiente, se concluye que C es suave en los
intervalos
0, 2 , 2 , , , 32,
La epicicloide no es suave en los puntos en
los que interseca los ejes
Figura 12.9
y
32, 2
como se muestra en la figura 12.9.
NOTA En la figura 12.9, nótese que la curva no es suave en los puntos en los que la curva
tiene cambios abruptos de dirección. Tales puntos se llaman cúspides o nodos.
La mayoría de las reglas de derivación del capítulo 2 tiene su contraparte para
funciones vectoriales, y varias de ellas se dan en el teorema siguiente. Nótese que el
teorema contiene tres versiones de “reglas del producto”. La propiedad 3 da la derivada del producto de una función real ƒ y por función vectorial r, la propiedad 4 da la
derivada del producto escalar de dos funciones vectoriales y la propiedad 5 da la derivada del producto vectorial de dos funciones vectoriales (en el espacio). Nótese que
la propiedad 5 sólo aplica a funciones vectoriales tridimensionales, porque el producto vectorial no está definido para vectores bidimensionales.
TEOREMA 12.2
Propiedades de la derivada
Sean r y u funciones vectoriales derivables de t, ƒ una función real derivable de t
y sea c un escalar.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Dt crt cr t
Dt rt ± ut r t ± u t
Dt f trt f tr t f trt
Dt rt ut rt u t r t ut
Dt rt ut rt) u t r t ut
Dt r f t r f t ft
Si rt rt c, entonces rt r t 0.
SECCIÓN 12.2
Derivación e integración de funciones vectoriales
843
Demostración Para demostrar la propiedad 4, sea
rt f1ti g1tj y ut f2ti g2tj
donde f1, f2, g1, y g2 son funciones derivables de t. Entonces,
rt ut f1t f2t g1tg2t
y se sigue que
EXPLORACIÓN
Sea r(t) cos ti sen tj. Dibujar la
gráfica de r t. Explicar por qué la
gráfica es un círculo de radio 1 centrado al origen. Calcular r4 y
r 4. Colocar el vector r 4 de
manera que su punto inicial esté en el
punto final de r4. ¿Qué se observa? Mostrar que r t r t es constante y que rt rt 0 para todo
t. ¿Qué relación tiene este ejemplo
con la propiedad 7 del teorema 12.2?
Dt rt ut f1t f2 t f1 t f2t g1t g2 t g1 t g2t
f1t)f2 t g1t g2 t f1 t f2t g1 t g2t
rt u t r t ut.
Las demostraciones de las otras propiedades se dejan como ejercicios (ver ejercicios
73 a 77 y ejercicio 80).
EJEMPLO 4
Aplicación de las propiedades de la derivada
Para las funciones vectoriales dadas por
rt 1
i j ln tk y ut t 2 i 2tj k
t
hallar
a) Dt rt ut y
b) Dt ut u t.
Solución
1
1
a) Como r t 2 i k y u t 2ti 2j, se tiene
t
t
Dt rt ut rt u t r t ut
1
i j ln tk 2ti 2j
t
1
1
2 i k t 2 i 2t j k
t
t
1
2 2 1 t
1
3 .
t
b) Como u t 2ti 2 j y u t 2i, se tiene
Dt ut u t ut u t u t u t
i
j
k
t 2 2t
1 0
2
0
0
2t
1
t2
1
t 2 2t
i
j
k
0
0
2
0
2
0
0i 2j 4tk
2j 4tk.
NOTA Hacer de nuevo los apartados a) y b) del ejemplo 4 pero formando primero los productos escalar y vectorial y derivando después para comprobar que se obtienen los mismos
resultados.
844
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Integración de funciones vectoriales
La siguiente definición es una consecuencia lógica de la definición de la derivada de
una función vectorial.
Definición de la integral de una función vectorial
1. Si rt f ti gtj, donde f y g son continuos en a, b, entonces la integral indefinida (o antiderivada) de r es
rt dt f t dti gt dt j
Plano.
y su integral definida en el intervalo a ≤ t ≤ b es
b
b
rt dt a
a
b
f t dt i gt dt j.
a
2. Si rt f ti gtj htk, donde f, g y h son continuos en a, b,
entonces la integral indefinida (o antiderivada) de r es
rt dt f t dti gt dt j h t dtk
Espacio.
y su integral definida en el intervalo a ≤ t ≤ b es
b
f t dt i gt dt j h t dtk.
b
rt dt a
b
a
a
b
a
La antiderivada de una función vectorial es una familia de funciones vectoriales
que difieren entre sí en un vector constante C. Por ejemplo, si rt es una función vectorial tridimensional, entonces al hallar la integral indefinida rt dt, se obtienen tres
constantes de integración
f t dt Ft C1,
g t dt G t C2,
h t dt H t C3
donde F t f t, G t g t, y H t h t. Estas tres constantes escalares forman un vector como constante de integración,
rt dt Ft C1i G t C2 j H t C3k
Fti G t j H tk C1i C2 j C3k
Rt C
donde R t rt.
EJEMPLO 5
Integración de una función vectorial
Hallar la integral indefinida
t i 3j dt.
Solución Integrando componente por componente se obtiene
t i 3j dt t2
i 3tj C.
2
SECCIÓN 12.2
Derivación e integración de funciones vectoriales
845
El ejemplo 6 muestra cómo evaluar la integral definida de una función vectorial.
Integral definida de una función vectorial
EJEMPLO 6
Evaluar la integral
1
0
3 ti 0
Solución
1
rt dt 1
1
r t dt 0
1
j et k dt.
t1
0
34 t 1
t13 dt i 0
1
dt j t1
3
1
i ln 2 j 1 k
4
e
1
43
0
1
i ln t 1
0
1
et dt k
0
j et
1
k
0
Como ocurre con las funciones reales, se puede reducir la familia de primitivas
de una función vectorial r a una sola primitiva imponiendo una condición inicial a la
función vectorial r. Esto se demuestra en el ejemplo siguiente.
La primitiva de una función vectorial
EJEMPLO 7
Hallar la primitiva de
r t cos 2ti 2 sen
sin tj 1
k
1 t2
que satisface la condición inicial r0 3i 2j k.
Solución
rt r t dt
1
sin t dt j dt k
2 sen
1t 1
sen
sin 2t C i 2 cos t C j arctan t C k
2
cos 2t dt i 2
1
2
3
Haciendo t 0 usando el hecho que r0 3i 2j k, se tiene
r0 0 C1i 2 C2j 0 C3k
3i 2j k.
Igualando los componentes correspondientes se obtiene
C1 3,
2 C2 2,
y
C3 1.
Por tanto, la primitiva que satisface la condición inicial dada es
rt sin 2t 3i 2 cos t 4j arctan t 1k.
12 sen
846
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Ejercicios de la sección 12.2
En los ejercicios 1 a 6, dibujar la curva plana representada por
la función vectorial y dibujar los vectores r t0 y r t0 para el
valor dado de t0. Colocar los vectores de manera que el punto
inicial de r t0 esté en el origen y el punto inicial de r t0 esté en
el punto final de r t0. ¿Qué relación hay entre r t0 y la curva?
1. r t t 2 i tj, t0 2
3. r t t 2 i 1
j,
t
t0 1
2
sin tj
21. rt 4 cos ti 4 sen
23. rt 1 2
2t i
tj 22. rt 8 cos t i 3 sen
sin tj
1 3
6t k
24. rt ti 2t 3j 3t 5k
En los ejercicios 27 y 28 se dan una función vectorial y su
gráfica. La gráfica también muestra los vectores unitarios
r t0/ r t0 y r t0/ r t0 . Hallar estos dos vectores unitarios e identificarlos en la gráfica.
t0 0
7. Investigación Considerar la función vectorial
r t ti 20. rt t 2 ti t 2 t j
26. rt et, t 2, tan t
t0 1
sin tj, t0 5. r t cos ti sen
1
19. rt t 3i 2t 2 j
sin t, sen
sin t t cos t, t
25. rt cos t t sen
t0 2
4. rt 1 ti t 3j,
6. rt et i e2t j,
2. r t ti t 3j,
En los ejercicios 19 a 26, hallar a) r t y b) rt r t.
sin tj t 2 k,
27. r t cos ti sen
28. r t ti t 2j e0.75t k ,
t 2j.
t0 t0 14
1
4
a) Dibujar la gráfica de r t. Usar una graficadora para verificar la gráfica.
b) Dibujar los vectores r 14, r 12, y r 12 r 14 en la
gráfica del apartado a).
c) Comparar el vector r 14 con el vector
r 12 r 14 .
12 14
Figura para 27
Figura para 28
8. Investigación Considerar la función vectorial
r t ti 4 t 2j.
a) Dibujar la gráfica de rt. Usar una graficadora para verificar
la gráfica.
b) Dibujar los vectores r 1, r 1.25, y r 1.25 r 1 en la
gráfica del apartado a).
c) Comparar el vector r (1 con el vector
r 1.25 r 1 .
1.25 1
En los ejercicios 9 y 10, a) dibujar la curva en el espacio representada por la función vectorial, y b) dibujar los vectores r t0 y
r t0 para el valor dado de t0.
sin tj tk, t0 9. r t 2 cos ti 2 sen
3
10. r t ti t 2j 2k,
3
2
sin 3 tj k
13. r t a cos 3 t i a sen
30. rt 1
i 3tj
t1
sin 3 j
31. r 2 cos 3 i 3 sen
32. r sin
sen i 1 cos j
33. r 2 sin
sen i 1 2 cos j
34. r t 2t
2t 2
i
j
3
8t
8 t3
35. rt t 1i 1
j t 2k
t
36. rt et i et j 3tk
1
38. r t t i t 2 1 j 4tk
t0 2
12. r t 29. r t t 2 i t 3j
37. r t ti 3tj tan tk
En los ejercicios 39 y 40, usar las propiedades de la derivada
para encontrar lo siguiente.
En los ejercicios 11 a 18, hallar r t.
11. rt 6ti 7t 2j t 3 k
En los ejercicios 29 a 38, hallar el (los) intervalo(s) abierto(s) en
que la curva dada por la función vectorial es suave.
1
t2
i 16tj k
t
2
14. r t 4t i t 2t j ln t 2 k
15. r t et i 4j
sin t, t 2 16. r t sin
sen t t cos t, cos t t sen
sen t, arccos t, 0
sin t, t cos t, t
17. r t t sen
18. r t arcsin
a) r t
b) r t
c) Dt [r(t ut]
d) Dt [3rt ut] e) Dt [rt ut] f) Dt [ rt) ] ,
39. r t ti 3tj t 2k,
ut 4ti t 2j t 3k
sin tj 2 cos tk,
40. r t ti 2 sen
ut 1
i 2 sen
sin tj 2 cos tk
t
t>0
SECCIÓN 12.2
En los ejercicios 41 y 42, hallar a) Dt[rt ut] y b)
Dt[rt ut] por derivación del producto, después aplicar las
propiedades del teorema 12.2.
41. rt ti 2t 2 j t 3k,
ut t 4k
42. rt cos t i sen
sin t j t k, ut j tk
847
Desarrollo de conceptos
69. Dar la definición de la derivada de una función vectorial.
Describir cómo hallar la derivada de una función vectorial
y dar su interpretación geométrica.
70. ¿Cómo se encuentra la integral de una función vectorial?
En los ejercicios 43 y 44, hallar el ángulo entre r t y r t en
función de t. Usar una graficadora para representar t. Usar
la gráfica para hallar todos los extremos de la función. Hallar
todos los valores de t en que los vectores son ortogonales.
43. r t 3 sen
sin ti 4 cos tj
Derivación e integración de funciones vectoriales
44. r t t 2i tj
71. Las tres componentes de la derivada de la función vectorial u son positivas en t t0. Describir el comportamiento
de u t t0.
72. El componente z de la derivada de la función vectorial u es
0 para t en el dominio de la función. ¿Qué implica esta
información acerca de la gráfica de u?
En los ejercicios 45 a 48, usar la definición de la derivada para
hallar r t.
3
45. r t 3t 2i 1 t 2j 46. r t t i j 2tk
t
En los ejercicios 73 a 80, demostrar la propiedad. En todos los
casos, suponer que r, u y v son funciones vectoriales derivables
de t, que f es una función real derivable de t, y que c es un escalar.
47. rt t2, 0, 2t
73. Dt crt cr t
48. rt 0, sen
sin t, 4t
74. Dt rt ± ut r t ± u t
En los ejercicios 49 a 56, hallar la integral indefinida.
49.
51.
53.
54.
55.
56.
2ti j k dt
50.
1
i j t 32 k dt
t
52.
2t 1i 4t 3j
75. Dt f trt f tr t ftrt
4t 3 i 6tj 4t k dt
1
ln ti j k dt
t
1
j dt
1 t2
a) Usar una graficadora para representar r. Describir la curva.
et sen
sin ti et cos tj dt
b) Hallar los valores mínimo y máximo de r y r .
1
8ti tj k dt
0
2
58.
1
ti t 3j 3 t k dt
4
sec t tan ti tan tj 2 sen
sin t cos tk dt
0
2
61.
82. Movimiento de una partícula Una partícula se mueve en el
plano yz a lo largo de la curva representada por la función vecsin tk.
torial rt 2 cos tj 3 sen
a) Describir la curva.
b) Hallar los valores mínimo y máximo de r y r ..
a cos t i a sen
sin t j k dt
0
60.
79. Dt r t ut vt r t ut v t 81. Movimiento de una partícula Una partícula se mueve en el
plano xy a lo largo de la curva representada por la función vecsin ti 1 cos tj.
torial rt t sen
1
59.
78. Dt r t r t r t r t
80. Si r t r t es una constante, entonces r t r t 0.
En los ejercicios 57 a 62, evaluar la integral definida.
57.
77. Dt r f t r f t ft
r t u t v t r t ut v t
3t k dt
et i sen
sin tj cos tk dt
sec2 ti 76. Dt r t ut r t u t r t ut
3
ti et j te t k dt
62.
0
t i t 2 j dt
0
¿Verdadero o falso? En los ejercicios 83 a 86, determinar si la
declaración es verdadera o falsa. Si es falsa, explicar por qué o
dar un ejemplo que muestre que es falsa.
83. Si una partícula se mueve a lo largo de una esfera centrada en
el origen, entonces su vector derivada es siempre tangente a la
esfera.
En los ejercicios 63 a 68, hallar r t para las condiciones dadas.
84. La integral definida de una función vectorial es un número real.
63. r t 4e2t i 3et j, r0 2i
85.
64. r t 3t 2 j 6t k,
65. r t 32j,
r 0 i 2j
r 0 6003i 600j, r0 0
sin tk, r 0 3k, r 0 4 j
66. r t 4 cos tj 3 sen
67. r t tet i et j k,
2
68. r t r 0 12i j k
1
1
1
i 2 j k, r1 2i
1 t2
t
t
d
rt rt
dt
86. Si r y u son funciones vectoriales derivables de t, entonces
Dt rt ut rt ut.
87. Considerar la función vectorial
rt et sen
sin ti et cos tj.
Mostrar que rt y rt son siempre perpendiculares una a otra.
848
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Sección 12.3
Velocidad y aceleración
• Describir la velocidad y la aceleración relacionadas con una función vectorial.
• Usar una función vectorial para analizar el movimiento de un proyectil.
EXPLORACIÓN
Exploración de velocidad
Considérese el círculo dado por
rt cos ti sin
sen tj.
Usar una graficadora en modo
paramétrico para representar este círculo para varios valores de ω. ¿Cómo
afecta ω la velocidad del punto final
cuando se traza la curva? Para un
valor dado de ω, ¿parece ser constante la velocidad? ¿Parece ser constante la aceleración? Explicar el
razonamiento.
Velocidad y aceleración
Ahora se combina el estudio de ecuaciones paramétricas, curvas, vectores y funciones
vectoriales a fin de formar un modelo para el movimiento a lo largo de una curva. Se
empezará por ver el movimiento de un objeto en el plano. (El movimiento de un objeto en el espacio puede desarrollarse de manera similar.)
Conforme un objeto se mueve a lo largo de una curva en el plano, la coordenada
x y la coordenada y de su centro de masa es cada una función del tiempo t. En lugar
de utilizar ƒ y g para representar estas dos funciones, es conveniente escribir x xt
y y yt. Por tanto, el vector de posición rt toma la forma
rt xti ytj.
Vector de posición.
Lo mejor de este modelo vectorial para representar movimiento es que se pueden usar
la primera y la segunda derivada de la función vectorial r para hallar la velocidad y la
aceleración del objeto. (Hay que recordar del capítulo anterior que la velocidad y
la aceleración son cantidades vectoriales que tienen magnitud y dirección.) Para
hallar los vectores velocidad y aceleración en un instante dado t, considérese un punto
Qxt t, yt t que se aproxima al punto Pxt, yt a lo largo de la curva C
dada por rt xti ytj, como se muestra en la figura 12.10. A medida que
t → 0, la dirección del vector PQ (denotado por r) se aproxima a la dirección del
movimiento en el instante t.
\
r rt t rt
r rt t rt
t
t
r
rt t rt
lim
lim
lím
lím
t→0 t
t→0
t
Si este límite existe, se define como el vector velocidad o el vector tangente a la
curva en el punto de P. Nótese que éste es el mismo límite usado en la definición de
r t. Por tanto, la dirección de r t da la dirección del movimiento en el instante t. La
magnitud del vector r t
r t xti ytj xt 2 yt 2
da la rapidez del objeto en el instante t. De manera similar, se puede usar r t para
hallar la aceleración, como se indica en las definiciones siguientes.
Conforme t → 0,
Figura 12.10
r
se aproxima al vector velocidad
t
SECCIÓN 12.3
Velocidad y aceleración
849
Definiciones de velocidad y aceleración
Si x y y son funciones de t que tienen primera y segunda derivada y r es una
función vectorial dada por rt xti ytj, entonces el vector velocidad, el
vector aceleración y la rapidez en el instante t se definen como sigue.
Velocity vt rt xti ytj
Velocidad
Acceleration
Aceleración at r t x ti y tj
Speed vt rt xt 2 yt 2
Rapidez
Para el movimiento a lo largo de una curva en el espacio, las definiciones son similares. Es decir, si rt xti ytj ztk, entonces
Velocity vt r t xti ytj ztk
Velocidad
Acceleration
Aceleración at r t x ti y tj ztk
Speed vt r t xt 2 yt 2 zt 2.
Rapidez
EJEMPLO 1
NOTA En el ejemplo 1, nótese que los
vectores velocidad y aceleración son
ortogonales en todo punto y en cualquier
instante. Esto es característico del
movimiento con rapidez constante.
(Ver ejercicio 53.)
Hallar la velocidad y la aceleración
a lo largo de una curva plana
Hallar el vector velocidad, la rapidez y el vector aceleración de una partícula que se
mueve a lo largo de la curva plana C descrita por
t
t
rt 2 sen
sin i 2 cos j.
2
2
Vector posición.
Solución
El vector velocidad es
t
t
vt rt cos i sen
sin j.
2
2
Vector velocidad.
La rapidez (en cualquier instante) es
rt t
sin 1.
cos 2t sen
2
2
2
Rapidez.
El vector aceleración es
1
t
1
t
at r t sen
sin i cos j.
2
2
2
2
Vector aceleración.
Las ecuaciones paramétricas de la curva del ejemplo 1 son
x 2 sen
sin
t
2
y
t
y 2 cos .
2
Eliminando el parámetro t, se obtiene la ecuación rectangular
x 2 y 2 4.
Ecuación rectangular.
Por tanto, la curva es un círculo de radio 2 centrado en el origen, como se muestra en
la figura 12.11. Como el vector velocidad
La partícula se mueve alrededor del círculo
con rapidez constante
Figura 12.11
t
t
vt cos i sen
sin j
2
2
tiene una magnitud constante pero cambia de dirección a medida que t aumenta, la
partícula se mueve alrededor del círculo con una rapidez constante.
850
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
EJEMPLO 2
Dibujo de los vectores velocidad
y aceleración en el plano
Dibujar la trayectoria de un objeto que se mueve a lo largo de la curva plana dada por
rt t 2 4i t j
Vector posición.
y hallar los vectores velocidad y aceleración cuando t 0 y t 2.
Solución Utilizando las ecuaciones paramétricas x t 2 4 y y t, se puede
determinar que la curva es una parábola dada por x y 2 4, como se muestra en la
figura 12.12. El vector velocidad (en cualquier instante) es
vt rt 2t i j
Vector velocidad.
y el vector aceleración (en cualquier instante) es
En todo punto en la curva, el vector
aceleración apunta a la derecha
Figura 12.12
at r t 2i.
Vector aceleración.
Cuando t 0, los vectores velocidad y aceleración están dados por
v0 20i j j y
a0 2i.
Cuando t 2, los vectores velocidad y aceleración están dados por
v2 22i j 4i j y
En todo punto de la órbita del cometa, el
vector aceleración apunta hacia el Sol
Figura 12.13
a2 2i.
Si el objeto se mueve por la trayectoria mostrada en la figura 12.12, nótese que el
vector aceleración es constante (tiene una magnitud de 2 y apunta hacia la derecha).
Esto implica que la rapidez del objeto va decreciendo conforme el objeto se mueve
hacia el vértice de la parábola, y la rapidez va creciendo conforme el objeto se aleja
del vértice de la parábola.
Este tipo de movimiento no es el característico de cometas que describen trayectorias parabólicas en nuestro sistema solar. En estos cometas, el vector aceleración
apunta siempre hacia el origen (el Sol), lo que implica que la rapidez del cometa
aumenta a medida que se aproxima al vértice de su trayectoria y disminuye cuando se
aleja del vértice. (Ver figura 12.13.)
EJEMPLO 3
Dibujo de los vectores velocidad
y aceleración en el espacio
Dibujar la trayectoria de un objeto que se mueve a lo largo de la curva en el espacio
C dada por
rt t i t 3j 3tk,
t ≥ 0
Vector posición.
y hallar los vectores velocidad y aceleración cuando t 1.
Solución Utilizando las ecuaciones paramétricas x t y y t 3, se puede determinar que la trayectoria del objeto se encuentra en el cilindro cúbico dado por y x3.
Como z 3t, el objeto parte de 0, 0, 0 y se mueve hacia arriba a medida que t
aumenta, como se muestra en la figura 12.14. Como rt t i t 3j 3tk, se tiene
vt rt i 3t 2j 3k
Vector velocidad.
at r t 6tj.
Vector aceleración.
y
Figura 12.14
Cuando t 1, los vectores velocidad y aceleración están dados por
v1 r1 i 3j 3k y
a1 r 1 6j.
SECCIÓN 12.3
Velocidad y aceleración
851
Hasta aquí se ha tratado de hallar la velocidad y la aceleración derivando la función posición. En muchas aplicaciones prácticas se tiene el problema inverso, hallar
la función posición dadas una velocidad o una aceleración. Esto se demuestra en el
ejemplo siguiente.
Hallar una función posición por integración
EJEMPLO 4
Un objeto parte del reposo del punto P(1, 2, 0) y se mueve con una aceleración
at j 2k
Vector aceleración.
donde at se mide en pies por segundo al cuadrado. Hallar la posición del objeto
después de t 2 segundos.
Solución A partir de la descripción del movimiento del objeto, se pueden deducir
las condiciones iniciales siguientes. Como el objeto parte del reposo, se tiene
v0 0.
Como el objeto parte del punto x, y, z 1, 2, 0, se tiene
r0 x0i y0j z0k
1i 2j 0k
i 2j.
Para hallar la función de posición, hay que integrar dos veces, usando cada vez una de
las condiciones iniciales para hallar la constante de integración. El vector velocidad es
vt at dt j 2k dt
tj 2tk C
donde C C1i C2 j C3k. Haciendo t 0 y aplicando la condición inicial
v0 0, se obtiene
v0 C1i C2 j C3k 0
C1 C2 C3 0.
Por tanto, la velocidad en cualquier instante t es
vt tj 2tk.
Vector velocidad.
Integrando una vez más se obtiene
rt vt dt tj 2tk dt
t2
j t2k C
2
donde C C4i C5 j C6k. Haciendo t 0 y aplicando la condición inicial
r0 i 2j, se tiene
r0 C4i C5 j C6k i 2j
C4 1, C5 2, C6 0.
Por tanto, el vector posición es
El objeto tarda 2 segundos en moverse del
punto (1, 2, 0) al punto (1, 4, 4) a lo largo
de C.
Figura 12.15
rt i t2
2 j t 2 k.
2
Vector posición.
La posición del objeto después de t 2 segundos está dada por r2 i 4j 4k,
como se muestra en la figura 12.15.
852
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Movimiento de proyectiles
Ahora ya se dispone de lo necesario para deducir las ecuaciones paramétricas de la
trayectoria de un proyectil. Supóngase que la gravedad es la única fuerza que actúa
sobre un proyectil después de su lanzamiento. Por tanto, el movimiento ocurre en un
plano vertical que puede representarse por el sistema de coordenadas xy con el origen
correspondiente a un punto sobre la superficie de la Tierra como se muestra en la figura 12.16. Para un proyectil de masa m, la fuerza gravitatoria es
F mgj
Figura 12.16
Fuerza gravitatoria.
donde la constante gravitatoria es g 32 pies por segundo al cuadrado, o 9.81 metros x por segundo al cuadrado. Por la Segunda Ley del Movimiento de Newton, esta
misma fuerza produce una aceleración a at, y satisface la ecuación F ma. Por
consiguiente, la aceleración del proyectil está dada por ma mgj, lo que implica
que
a gj.
EJEMPLO 5
Aceleración del proyectil.
Obtención de la función de posición de un proyectil
Un proyectil de masa m se lanza desde una posición inicial r0 con una velocidad inicial v0. Hallar su vector posición en función del tiempo.
Solución Se parte del vector aceleración at gj y se integra dos veces.
vt rt at dt vt dt g j dt gt j C1
1
gtj C1 dt gt 2j C1t C2
2
Se puede usar el hecho de que v0 v0 y r0 r0 para hallar los vectores constantes C1 y C2. Haciendo esto se obtiene C1 v0 y C2 r0. Por consiguiente, el vector posición es
1
rt gt 2j t v0 r0.
2
Vector posición.
En muchos problemas sobre proyectiles, los vectores constantes r0 y v0 no se dan
explícitamente. A menudo se dan la altura inicial h, la rapidez inicial v0 y el ángulo con que el proyectil es lanzado, como se muestra en la figura 12.17. De la altura dada,
se puede deducir que r0 hj. Como la rapidez da la magnitud de la velocidad inicial,
se sigue que v0 v0 y se puede escribir
v0 x i y j
v0 cos i v0 sen
sin j
sen j.
v0 cos i v0 sin
Por tanto, el vector posición puede expresarse en la forma
Figura 12.17
1
rt gt 2j t v0 r0
2
Vector posición.
1
gt 2j tv0 cos i tv0 sen
sin j hj
2
1
v0 cos ti h v0 sen
sin t gt 2 j.
2
SECCIÓN 12.3
TEOREMA 12.3
Velocidad y aceleración
853
Función posición de un proyectil
Despreciando la resistencia del aire, la trayectoria de un proyectil lanzado de una
altura inicial h con rapidez inicial v0 y ángulo de elevación se describe por
medio de la función vectorial
rt v0 cos ti h v0 sen
sin t 1 2
gt j
2
donde g es la constante de la gravedad.
EJEMPLO 6
La trayectoria de una pelota de béisbol
Una pelota de béisbol es golpeada 3 pies sobre el suelo a 100 pies por segundo y con
un ángulo de 45° respecto al suelo, como se muestra en la figura 12.18. Hallar la altura
máxima que alcanza la pelota de béisbol. ¿Pasará por encima de una valla de 10 pies
de altura localizado a 300 pies del plato de lanzamiento?
Solución Se tienen dados h 3, v0 100, y 45
. Así, tomando g 32 pies
por segundo al cuadrado se obtiene
Figura 12.18
t i 3 100 sen
sin t 16t 2 j
4
4
502 ti 3 502 t 16t 2j
vt rt 502 i 502 32tj.
rt 100 cos
La altura máxima se alcanza cuando
yt 502 32t 0
lo cual implica que
252
16
2.21 segundos.
t
Por tanto, la altura máxima que alcanza la pelota es
y 3 502
252
252
16
16
16
649
8
pies.
81 feet.
2
Altura máxima cuando t 2.21 segundos.
La pelota está a 300 pies de donde fue golpeada cuando
300 xt 502 t.
Despejando t de esta ecuación se obtiene t 32 4.24 segundos. En este instante,
la altura de la pelota es
y 3 502 32 1632 303 288
15 pies.
feet.
2
Altura cuando t 4.24 segundos.
Por consiguiente, la pelota pasará sobre la valla de 10 pies.
854
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Ejercicios de la sección 12.3
En los ejercicios 1 a 8, el vector posición r describe la trayectoria de un objeto que se mueve en el plano xy. Dibujar una gráfica de la trayectoria y dibujar los vectores velocidad y aceleración en el punto dado.
Función posición
Punto
1. rt 3t i t 1j
2. rt 6 ti t j
3. rt t i t j
2
4. rt t2 i t 3 j
sin t j
5. rt 2 cos t i 2 sen
sin t j
6. rt 3 cos t i 2 sen
sin t, 1 cos t
7. rt t sen
8. rt et, et 3, 0
3, 3
4, 2
1, 1
2, 2 3, 0
, 2
1, 1
En los ejercicios 9 a 16, el vector posición r describe la trayectoria de un objeto que se mueve en el espacio. Hallar velocidad,
rapidez y aceleración del objeto.
9. rt t i 2t 5j 3t k
En los ejercicios 19 a 22, usar la función aceleración dada para
determinar los vectores velocidad y posición. Después hallar la
posición en el instante t 2.
19. at i j k
v0 0,
r0 0
20. at 2i 3k
v0 4j,
r0 0
21. at t j t k
v1 5j,
r1 0
sin t j
22. at cos t i sen
v0 j k, r0 i
Desarrollo de conceptos
23. Explicar con sus propias palabras, la diferencia entre la
velocidad de un objeto y su rapidez.
24. ¿Qué se sabe acerca de la velocidad de un objeto si el ángulo entre los vectores velocidad y aceleración es a) agudo y
b) obtuso?
10. rt 4t i 4t j 2t k
11. rt t i t 2j Movimiento de proyectiles En los ejercicios 25 a 40, usar el
modelo para el movimiento de un proyectil, suponiendo que no
hay resistencia del aire.
t2
k
2
1
12. rt 3t i t j 4t 2 k
13. rt t i t j 9 t 2 k
14. rt t 2 i t j 2t 32 k
sin t
15. rt 4t, 3 cos t, 3 sen
sin t, et 16. rt et cos t, et sen
Aproximación lineal En los ejercicios 17 y 18, se dan la gráfica
de la función vectorial rt y un vector tangente a la gráfica en
t t0.
a) Hallar un conjunto de ecuaciones paramétricas para la recta
tangente a la gráfica en t t0.
b) Utilizar las ecuaciones de la recta para aproximar r t0 0.1.
1
17. rt t, t 2, 4 t3,
t0 1
18. rt t, 25 t 2, 25 t 2 ,
t0 3
25. Hallar la función vectorial de la trayectoria de un proyectil lanzado desde una altura de 10 pies sobre el suelo con una velocidad inicial de 88 pies por segundo y con un ángulo de 30° sobre
la horizontal. Usar una graficadora para representar la trayectoria del proyectil.
26. Determinar la altura máxima y el alcance de un proyectil disparado desde una altura de 3 pies sobre el nivel del suelo con
velocidad inicial de 900 pies por segundo y con un ángulo de
45° sobre la horizontal.
27. Una pelota de béisbol golpeada 3 pies sobre el nivel del suelo,
se aleja del bate con un ángulo de 45° y es cachada por un jardinero a 3 pies sobre el nivel del suelo y a 300 pies del plato de
lanzamiento. ¿Cuál es la rapidez inicial de la pelota y qué altura
alcanza?
28. Un jugador de béisbol en segunda base lanza una pelota al
jugador de primera base a 90 pies. La pelota es lanzada desde 5
pies sobre el nivel del suelo con una velocidad inicial de 50 millas por hora y con un ángulo de 15° con la horizontal. ¿A qué
altura cacha la pelota el jugador de primera base?
29. Eliminar el parámetro t de la función posición para el movimiento de un proyectil y mostrar que la ecuación rectangular es
16 sec2 2
x tan x h.
v02
30. La trayectoria de una pelota la da la ecuación rectangular
y
Figura para 17
Figura para 18
y x 0.005x 2.
Usar el resultado del ejercicio 29 para hallar la función posición. Después hallar la velocidad y la dirección de la pelota en
el punto en que ha recorrido 60 pies horizontalmente.
SECCIÓN 12.3
31. Modelo matemático La trayectoria de una pelota lanzada por
un jugador de béisbol es videograbada y después se analiza la
grabación con una cuadrícula protectora de pantalla. La cinta se
detiene tres veces y se miden las posiciones de la pelota. Las
coordenadas son aproximadamente (0, 6.0), (15, 10.6) y (30,
13.4). (La coordenada x mide la distancia horizontal al jugador
en pies y la coordenada y mide la altura en pies.)
a) Usar una graficadora para hallar un modelo cuadrático para
los datos.
b) Usar una graficadora para representar los datos y la gráfica
del modelo.
c) Determinar la altura máxima de la pelota.
d) Hallar la velocidad inicial de la pelota y el ángulo al que fue
lanzada.
32. Una pelota de béisbol es golpeada desde una altura de 2.5 pies
sobre el nivel del suelo con una velocidad inicial de 140 pies
por segundo y con un ángulo de 22° sobre la horizontal. Usar
una graficadora para representar la trayectoria de la pelota y
determinar si pasará sobre una valla de 10 pies de altura localizada a 375 pies del plato de lanzamiento.
33. El SkyDome en Toronto, Ontario, tiene una barda para campo
central que tiene 10 pies de altura y está a 400 pies del plato de
lanzamiento. Una pelota es golpeada a 3 pies sobre el nivel del
suelo y se da el batazo a una velocidad de 100 millas por hora.
a) La pelota se aleja del bate formando un ángulo de 0
con la horizontal. Dar la función vectorial para la trayectoria de la pelota.
b) Usar una graficadora para representar la función vectorial
para 0 10
, 0 15
, 0 20
, y 0 25
. Usar las gráficas para aproximar el ángulo mínimo requerido para que el
golpe sea un home run.
c) Determinar analíticamente el ángulo mínimo requerido para
que el golpe sea un home run.
34. El mariscal de campo de un equipo de fútbol lanza un pase a
una altura de 7 pies sobre el campo de juego, y el balón de fútbol lo captura un receptor a 30 yardas a una altura de 4 pies. El
pase se lanza con un ángulo de 35° con la horizontal.
a) Hallar la rapidez del balón de fútbol al ser lanzado.
b) Hallar la altura máxima del balón de fútbol.
c) Hallar el tiempo que el receptor tiene para alcanzar la posición apropiada después de que el mariscal de campo lanza el
balón de fútbol.
35. Un expulsor de pacas consiste en dos bandas de velocidad variable al final del expulsor. Su función es lanzar las pacas a un
camión. Al cargar la parte trasera del camión, una paca debe
lanzarse a una posición 8 pies hacia arriba y 16 pies detrás del
expulsor.
a) Hallar la velocidad inicial mínima de la paca y el ángulo
correspondiente al que debe ser lanzada de la expulsora.
b) La expulsora tiene un ángulo fijo de 45°. Hallar la velocidad
inicial requerida.
36. Un bombardero vuela a una altitud de 30 000 pies a una velocidad de 540 millas por hora (ver la figura). ¿Cuándo debe lanzar
la bomba para que pegue en el blanco? (Dar la respuesta en términos del ángulo de depresión del avión al blanco.) ¿Cuál es la
velocidad de la bomba en el momento del impacto?
Velocidad y aceleración
855
Figura para 36
37. Un disparo de un arma con una velocidad de 1 200 pies por
segundo se lanza hacia un blanco a 3 000 pies. Determinar el
ángulo mínimo de elevación del arma.
38. Un proyectil se lanza desde el suelo con un ángulo de 12° con
la horizontal. El proyectil debe tener un alcance de 150 pies.
Hallar la velocidad inicial mínima requerida.
39. Usar una graficadora para representar la trayectoria de un proyectil para los valores dados de y v0. En cada caso, usar la gráfica
para aproximar la altura máxima y el alcance del proyectil.
(Suponer que el proyectil se lanza desde el nivel del suelo.)
a) 10
,
v0 66 pies/s
ftsec
b) 10
, v0 146 pies/s
ftsec
c) 45
,
v0 66 pies/s
ftsec
d) 45
, v0 146 pies/s
ftsec
e) 60
,
ftsec
v0 66 pies/s
ƒ) 60
, v0 146 pies/s
ftsec
40. Hallar el ángulo con el que un objeto debe lanzarse para tener
a) el alcance máximo y b) la altura máxima.
Movimiento de un proyectil En los ejercicios 41 y 42, usar el
modelo para el movimiento de un proyectil, suponer que no hay
resistencia. [at 9.8 metros por segundo al cuadrado]
41. Determinar la altura y el alcance máximos de un proyectil disparado desde una altura de 1.5 metros sobre el nivel del suelo
con una velocidad inicial de 100 metros por segundo y con un
ángulo de 30° sobre la horizontal.
42. Un proyectil se dispara desde el nivel del suelo con un ángulo
de 8° con la horizontal. El proyectil debe tener un alcance de 50
metros. Hallar la velocidad mínima necesaria.
Movimiento cicloidal En los ejercicios 43 y 44, considerar el
movimiento de un punto (o partícula) en la circunferencia de un
círculo que rueda. A medida que el círculo rueda genera la
cicloide
rt b t sen
sin ti b1 cos tj
donde es la velocidad angular constante del círculo y b es el
radio del círculo.
43. Hallar los vectores velocidad y aceleración de la partícula. Usar
los resultados para determinar los instantes en que la rapidez de
la partícula será a) cero y b) aumentada al máximo.
44. Hallar la velocidad máxima de un punto de un neumático de
automóvil de radio 1 pie cuando el automóvil viaja a 55 millas por
hora. Comparar esta velocidad con la velocidad del automóvil.
856
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Movimiento circular En los ejercicios 45 a 48, considerar una
partícula que se mueve a lo largo de una trayectoria circular de
radio b descrita por
rt b cos t i b sen
sin t j
donde d /dt es la velocidad angular constante.
45. Hallar el vector velocidad y mostrar que es ortogonal a rt.
46. a) Mostrar que la rapidez de la partícula es b.
b) Usar una graficadora en modo paramétrico para representar el
círculo para b 6. Probar distintos valores de . ¿Dibuja la
graficadora más rápido los círculos para los valores mayores
de ?
47. Hallar el vector aceleración y mostrar que su dirección es siempre hacia el centro del círculo.
48. Mostrar que la magnitud del vector aceleración es b2.
Movimiento circular En los ejercicios 49 y 50, usar los resultados de los ejercicios 45 a 48.
49. Una piedra que pesa 1 libra se ata a un cordel de dos pies de
largo y se hace girar horizontalmente (ver la figura). El cordel
se romperá con una fuerza de 10 libras. Hallar la velocidad
máxima que la piedra puede alcanzar sin que se rompa el
1
cordel. (Usar F ma, donde m 32
.
y recorrerá una distancia horizontal de
v02 cos sen
sin g
2gh
pies.
sin sen
v 2
2
0
52. Lanzamiento de pesos Un peso es lanzado desde una altura
de h 6 pies con rapidez inicial v0 45 pies por segundo y
con un ángulo de 42.5
con la horizontal. Hallar el tiempo
total de recorrido y la distancia horizontal recorrida.
53. Demostrar que si un objeto se mueve con rapidez constante, sus
vectores, velocidad y aceleración son ortogonales.
54. Demostrar que un objeto que se mueve en línea recta a velocidad constante tiene aceleración de 0.
55. Investigación Un objeto sigue una trayectoria elíptica dada
por la función vectorial
rt 6 cos t i 3 sen
sin t j.
a) Hallar vt, vt , y at.
b) Usar una graficadora para completar la tabla.
t
0
4
2
2
3
Rapidez
c) Representar gráficamente la trayectoria elíptica y los vectores velocidad y aceleración para los valores de t dados en
la tabla del apartado b).
d) Usar los resultados de los apartados b) y c) para describir la
relación geométrica entre los vectores velocidad y aceleración cuando la rapidez de la partícula aumenta y cuando
disminuye.
56. Redacción
trayectoria
Figura para 49
Figura para 50
50. Un automóvil de 3 000 libras está tomando una curva circular
de 300 pies de radio a 30 millas por hora (ver la figura).
Suponer que la carretera está nivelada, hallar la fuerza necesaria entre los neumáticos y el pavimento para que el automóvil
mantenga la trayectoria circular sin derrapar. (Usar F = ma,
donde m = 3 000/32.) Hallar el ángulo de peralte de la carretera
necesaria para que ninguna fuerza de fricción lateral sea ejercida sobre los neumáticos del automóvil.
51. Lanzamiento de pesos
con un ángulo θ es
La trayectoria de un objeto lanzado
rt v0 cos t i h v0 sen
sin t 1 2
gt j
2
donde v0 es la rapidez inicial, h es la altura inicial, t es el tiempo en segundos y g es la aceleración debida a la gravedad.
Verificar que el objeto permanecerá en el aire
v sen
sin v02 sen
sin2 2gh
t 0
seconds
segundos
g
Considerar una partícula que se mueve sobre la
r1t xt i yt j zt k.
a) Analizar todo cambio en la posición, velocidad o aceleración de la partícula si su posición está dada por la función
vectorial r2t r12t.
b) Generalizar los resultados a la función posición
r3t r1t.
¿Verdadero o falso? En los ejercicios 57 y 58, determinar si la
declaración es verdadera o falsa. Si es falsa, explicar por qué o
dar un ejemplo que pruebe que es falsa.
57. La aceleración de un objeto es la derivada de la rapidez.
58. El vector velocidad apunta en dirección del movimiento.
59. Cuando t 0, un objeto está en el punto 0, 1 y tiene un vector velocidad v0 i. Se mueve con aceleración
at sen
sin t i cos t j.
Mostrar que la trayectoria del objeto es un círculo.
SECCIÓN 12.4
Sección 12.4
Vectores tangentes y vectores normales
857
Vectores tangentes y vectores normales
• Hallar un vector unitario tangente en un punto a una curva en el espacio.
• Hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración.
Vectores tangentes y vectores normales
En la sección precedente se vio que el vector velocidad apunta en dirección del movimiento. Esta observación lleva a la definición siguiente, que es válida para cualquier
curva suave, no sólo para aquellas en las que el parámetro es el tiempo.
Definición del vector unitario tangente
Sea C una curva suave en un intervalo abierto r representada por I. El vector
unitario tangente Tt en t se define como
Tt rt
,
rt rt 0.
Como se recordará, una curva es suave en un intervalo si r es continua y distinta de cero en el intervalo. Por tanto, la “suavidad” es suficiente para garantizar que una
curva tenga vector unitario tangente.
Hallar el vector unitario tangente
EJEMPLO 1
Hallar el vector unitario tangente a la curva dada por
rt ti t 2j
cuando t 1.
Solución La derivada de rt es
rt i 2tj.
Derivada de rt.
Por tanto, el vector unitario tangente es
rt
rt 1
i 2tj.
1 4t 2
Tt Definición de Tt.
Sustituir rt.
Cuando t 1, el vector unitario tangente es
La dirección del vector unitario tangente
depende de la orientación de la curva
Figura 12.19
T1 1
5
i 2j
como se muestra en la figura 12.19.
NOTA En el ejemplo 1, hay que observar que la dirección del vector unitario tangente
depende de la orientación de la curva. Por ejemplo, si la parábola de la figura 12.19 estuviera
dada por
rt t 2i t 2 2j,
aunque T1 también representaría el vector unitario tangente en el punto 1, 1, apuntaría en
dirección opuesta. Tratar de verificar esto.
858
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
La recta tangente a una curva en un punto es la recta que pasa por el punto y es
paralela al vector unitario tangente. En el ejemplo 2 se usa el vector unitario tangente
para hallar la recta tangente a una hélice en un punto.
EJEMPLO 2
Hallar la recta tangente a una curva en un punto
Hallar Tt y hallar después un conjunto de ecuaciones paramétricas para la recta tangente a la hélice dada por
rt 2 cos ti 2 sen
sin tj tk
en el punto que corresponde a t 4.
Solución La derivada de rt es rt 2 sen
sin ti 2 cos tj k, lo que implica
que rt 4 sen
sin22 t 4 cos2 t 1 5. Por consiguiente, el vector unitario
tangente es
rt
rt 1
2 sen
sin ti 2 cos tj k.
5
Tt Vector unitario tangente.
Cuando t 4, el vector unitario tangente es
T
4 15 2 22 i 2 22 j k
1
5
2 i 2 j k.
Usando los números directores a 2, b 2, y c 1, y el punto
x1, y1, z1 2, 2, 4, se obtienen las ecuaciones paramétricas siguientes
(dadas con el parámetro s).
La recta tangente a una curva en un punto
está determinada por el vector unitario tangente en el punto
Figura 12.20
x x1 as 2 2s
y y1 bs 2 2s
z z1 cs s
4
Esta recta tangente se muestra en la figura 12.20.
En el ejemplo 2 hay una cantidad infinita de vectores que son ortogonales al vector tangente Tt. Uno de estos vectores es el vector Tt. Esto se desprende de la
propiedad 7 del teorema 12.2. Es decir,
Tt Tt Tt 2 1
Tt Tt 0.
Normalizando el vector Tt, se obtiene un vector especial llamado el vector unitario normal principal, como se indica en la definición siguiente.
Definición de vector unitario normal principal
Sea C una curva suave en un intervalo abierto I representada por r. Si
Tt 0, entonces el vector unitario normal principal en t se define como
Nt Tt
.
Tt SECCIÓN 12.4
EJEMPLO 3
Vectores tangentes y vectores normales
859
Hallar el vector unitario normal principal
Hallar Nt y N1 para la curva representada por
rt 3ti 2t 2j.
Solución Derivando, se obtiene
rt 3i 4tj
rt 9 16t2
y
lo que implica que el vector unitario tangente es
rt
rt 1
3i 4tj.
9 16t2
Tt Vector unitario tangente.
Usando el teorema 12.2, se deriva Tt con respecto a t para obtener
Tt 1
9 16t2
4j 16t
3i 4tj
9 16t 232
12
4ti 3j
9 16t 232
16t
99 16t
Tt 12
2
2 3
12
.
9 16t 2
Por tanto, el vector unitario normal principal es
Tt
Tt 1
4ti 3j.
9 16t 2
Nt El vector unitario normal principal apunta
hacia el lado cóncavo de la curva
Figura 12.21
Vector unitario normal principal.
Cuando t 1, el vector unitario normal principal es
1
N1 4i 3j
5
como se muestra en la figura 12.21.
El vector unitario normal principal puede ser difícil de evaluar algebraicamente. En
curvas planas, se puede simplificar el álgebra hallando
Tt xti ytj
Vector unitario tangente.
y observando que Nt debe ser
N1t yti xtj
En todo punto de una curva, un vector unitario normal es ortogonal al vector unitario
tangente. El vector unitario normal principal apunta hacia la dirección en que gira la
curva
Figura 12.22
o
N2t yti xtj.
Como xt2 yt2 1, se sigue que tanto N1t como N 2t son vectores unitarios normales. El vector unitario normal principal N es el que apunta hacia el lado
cóncavo de la curva, como se muestra en la figura 12.21 (véase ejercicio 86). Esto
también es válido para curvas en el espacio. Es decir, si un objeto se mueve a lo largo
de la curva C en el espacio, el vector Tt apunta hacia la dirección en la que se mueve
el objeto, mientras que el vector Nt es ortogonal a Tt y apunta hacia la dirección
en que gira el objeto, como se muestra en la figura 12.22.
860
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Hallar el vector unitario normal principal
EJEMPLO 4
Hallar el vector unitario normal principal para la hélice dada por
rt 2 cos ti 2 sen
sin tj tk.
Solución De acuerdo con el ejemplo 2, se sabe que el vector unitario tangente es
Tt 1
5
2 sen
sin ti 2 cos tj k.
Vector unitario tangente.
Así, Tt está dado por
Tt 1
5
2 cos ti 2 sen
sin tj.
Como Tt 25, se sigue que el vector unitario normal principal es
Tt
Tt 1
2 cos ti 2 sen
sin tj
2
cos ti sen
sin tj.
Nt Vector unitario normal principal.
Nótese que este vector es horizontal y apunta hacia el eje z, como se muestra en la
figura 12.23.
N t es horizontal y apunta hacia el eje z
Figura 12.23
Componentes tangencial y normal de la aceleración
Ahora se vuelve al problema de describir el movimiento de un objeto a lo largo de una
curva. En la sección anterior, se vio que si un objeto se mueve con rapidez constante,
los vectores velocidad y aceleración son perpendiculares. Esto parece razonable,
porque la rapidez no sería constante si alguna aceleración actuara en dirección del
movimiento. Esta afirmación se puede verificar observando que
r t rt 0
si rt es una constante. (Ver la propiedad 7 del teorema 12.2.)
Sin embargo, si un objeto viaja con rapidez variable, los vectores velocidad y
aceleración no necesariamente son perpendiculares. Por ejemplo, se vio que en un
proyectil el vector aceleración siempre apunta hacia abajo, sin importar la dirección
del movimiento.
En general, parte de la aceleración (la componente tangencial) actúa en la línea
del movimiento y otra parte (la componente normal) actúa perpendicular a la línea del
movimiento. Para determinar estas dos componentes, se pueden usar los vectores unitarios Tt y Nt, que juegan un papel análogo a i y j cuando se representan los vectores en el plano. El teorema siguiente establece que el vector aceleración se encuentra en el plano determinado por Tt y Nt.
TEOREMA 12.4
Vector aceleración
Si rt es el vector posición de una curva suave C y Nt existe, entonces el vector aceleración at se encuentra en el plano determinado por Tt y Nt.
SECCIÓN 12.4
Vectores tangentes y vectores normales
861
Demostración Para simplificar la notación, se escribe T en lugar de Tt, T en
lugar de Tt, y así sucesivamente. Como T rr vv, se sigue que
v vT.
Por derivación, se obtiene
a v Dt vT vT
Dt vT vT
Regla del producto.
TT Dt v T v T N.
N T T Como a se expresa mediante una combinación lineal de T y N, se sigue que a está en
el plano determinado por T y N.
A los coeficientes de T y de N en la demostración del teorema 12.4 se les conoce
como componentes tangenciales y normales de la aceleración y se denotan por
aT Dt v y aN v T . Por tanto, se puede escribir
at aTTt aNNt.
El teorema siguiente da algunas fórmulas útiles para aN y a T.
TEOREMA 12.5
Componentes tangencial y normal
de la aceleración
Si rt es el vector posición de una curva suave C [para la cual Nt existe],
entonces las componentes tangencial y normal de la aceleración son las
siguientes.
va
v
v a
aN v T a N a2 a T2
v
aT Dt v a
T
Nótese que aN ≥ 0. A la componente normal de la aceleración también se le
llama componente centrípeta de la aceleración.
Demostración Nótese que a se encuentra en el plano de T y N. Por tanto, se puede
usar la figura 12.24 para concluir que, en cualquier instante t, la componente de la
proyección del vector aceleración sobre T está dada por aT a T, y sobre N está
dada por aN a N. Además, como a v y T vv, se tiene
aT a T
Ta
v
a
v
va
.
v
En los ejercicios 88 y 89, se pide demostrar las otras partes del teorema.
Las componentes tangencial y normal de la
aceleración se obtienen proyectando a sobre
T y N.
Figure 12.24
NOTA Las fórmulas del teorema 12.5, junto con algunas otras fórmulas de este capítulo, se
resumen en la página 875.
862
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
EJEMPLO 5
Componentes tangencial y normal de la aceleración
Hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración para el vector de posición dado por rt 3ti tj t 2 k.
Solución Para empezar se halla la velocidad, la rapidez y la aceleración.
vt rt 3i j 2tk
vt 9 1 4t 2 10 4t 2
at r t 2k
De acuerdo con el teorema 12.5, la componente tangencial de la aceleración es
aT va
4t
v
10 4t 2
y como
v
Componente tangencial de la aceleración.
i
a 3
0
j
1
0
k
2t 2i 6j
2
la componente normal de la aceleración es
aN 4 36
v a
210
.
2
v
10 4t
10 4t 2
Componente normal de la aceleración.
NOTA En el ejemplo 5 se podría haber usado la fórmula alternativa siguiente para a N.
a N a 2 a T2 EJEMPLO 6
2
2
16t 2
210
10 4t 2 10 4t 2
Hallar a T y a N para una hélice circular
Hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración para la hélice dada por
rt b cos ti b sen
sin tj ctk, b > 0.
Solución
vt rt b sen
sin ti b cos tj ck
2
2
2
vt b sen
sin t b 2 cos2 t c2 b 2 c 2
at r t b cos ti b sen
sin tj
De acuerdo con el teorema 12.5, la componente tangencial de la aceleración es
aT v a b2 sen
sin t cos t b 2 sen
sin t cos t 0
0.
2
v
b c 2
Componente tangencial de la aceleración.
Como a b2 cos2 t b2 sen
sin22 t b, se puede usar la fórmula alternativa para la
componente normal de la aceleración para obtener
La componente normal de la aceleración es
igual al radio del cilindro alrededor del cual
la hélice gira en espiral
Figure 12.25
aN a 2 aT2 b2 02 b.
Componente normal
de la aceleración.
Nótese que la componente normal de la aceleración es igual a la magnitud de la aceleración. En otras palabras, puesto que la rapidez es constante, la aceleración es perpendicular a la velocidad. Ver la figura 12.25.
SECCIÓN 12.4
EJEMPLO 7
863
Vectores tangentes y vectores normales
Movimiento de un proyectil
El vector posición para el proyectil mostrado en la figura 12.26 está dado por
rt 502 ti 502 t 16t2j.
Vector posición.
Hallar la componente tangencial de la aceleración cuando t 0, 1 y 25216.
Solución
vt 502 i 502 32t j
vt 250 2 16502t 16 2t 2
at 32j
La trayectoria de un proyectil
Figura 12.26
Vector velocidad.
Velocidad.
Vector aceleración.
La componente tangencial de la aceleración es
vt at
32502 32t
.
vt 2502 16502t 162t 2
En los instantes especificados, se tiene
Componente tangencial de la aceleración.
aTt 32502 162 22.6
100
32502 32
a T 1 15.4
250 2 16502 16 2
a T 0 aT
2516 2 3250502 2 50
2
0.
En la figura 12.26 se puede ver que, a la altura máxima, cuando t 25216, la
componente tangencial es 0. Esto es razonable porque en ese punto la dirección del
movimiento es horizontal y la componente tangencial de la aceleración es igual a la
componente horizontal de la aceleración.
Ejercicios de la sección 12.4
En los ejercicios 1 a 4, dibujar el vector unitario tangente y los
vectores normales a los puntos dados.
1.
2.
En los ejercicios 5 a 10, hallar el vector unitario tangente a la
curva en el valor especificado del parámetro.
5. rt t 2 i 2tj,
6. rt t3 i 2t 2j,
t1
7. rt 4 cos ti 4 sen
sin tj,
t
4
8. rt 6 cos ti 2 sen
sin tj,
t
3
t1
9. rt ln t i 2t j, t e
10. rt et cos ti etj, t 0
3.
4.
En los ejercicios 11 a 16, hallar el vector unitario tangente Tt
y hallar un conjunto de ecuaciones paramétricas para la recta
tangente a la curva en el espacio en el punto P.
11. rt t i t 2j tk,
4
12. rt t 2 i t j 3 k,
P0, 0, 0
P1, 1, 43 sin tj t k, P2, 0, 0
13. rt 2 cos t i 2 sen
14. rt t, t, 4 t2 ,
P1, 1, 3 sin t, 4, P2, 2, 4
15. rt 2 cos t, 2 sen
sin t, 2 cos t, 4 sen
sin2 t, P1, 3, 1
16. rt 2 sen
864
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
En los ejercicios 17 y 18, usar un sistema computacional para
álgebra con objeto de representar la gráfica de la curva en el
espacio. Después hallar Tt y un conjunto de ecuaciones
paramétricas de la recta tangente a la curva en el espacio en el
punto P. Representar la gráfica de la recta tangente.
17. rt t, t , 2t 3,
2
P3, 9, 18
3
38. rt t3 4ti t2 1j, t 0
39. rt et i e2t j,
t0
40. rt e i e j t k, t 0
t
t
sin t j,
41. rt et cos t i et sen
t
2
18. rt 3 cos t i 4 sen
sin t j 12 t k, P0, 4, 4
sin t j,
42. rt a cos t i b sen
Aproximación lineal En los ejercicios 19 y 20, hallar un conjunto de ecuaciones paramétricas para la recta tangente a la
gráfica en t t0 y utilizar las ecuaciones de la recta para aproximar rt 0 0.1.
sin t, 1 cos t, t t 0
44. rt t sen
19. rt t, ln t, t ,
t0 1
En los ejercicios 21 y 22, verificar que las curvas en el espacio se
intersecan en los valores dados de los parámetros. Hallar el
ángulo entre los vectores tangentes a las curvas en el punto de
intersección.
21. rt t 2,
us 1
4 s,
3 s
2s, ,
,
t4
us 12 sen
sin22 s sen
sin s, 1 12 sen
sin22 s sen
sin s,
12s,
s0
En los ejercicios 23 a 30, encontrar el vector unitario normal
principal a la curva en el valor especificado del parámetro.
23. rt ti 12 t 2j,
6
24. rt ti j,
t
t2
t3
25. rt ln t i t 1 j,
t2
26. rt 3 cos t i 3 sen
sin t j, t 4
27. rt t i t2j ln t k, t 1
28. rt 2t i et j et k, t 0
29. rt 6 cos t i 6 sen
sin tj k,
30. rt cos t i 2 sen
sin t j k,
t
3
4
t
4
En los ejercicios 31 a 34, hallar vt, at, Tt y Nt (si existe)
para un objeto que se mueve a lo largo de la trayectoria dada
por la función vectorial rt. Usar los resultados para determinar la forma de la trayectoria. ¿Es constante la rapidez del objeto o cambiante?
31. rt 4t i
32. rt 4t i 2t j
33. rt 4t 2 i
34. rt t 2 j k
En los ejercicios 35 a 44, hallar Tt, Nt, a T , y a N para la curva
plana t en el instante rt.
35. rt t i 1
j,
t
37. rt t i t3
t1
2t2j,
t t0
Movimiento circular En los ejercicios 45 a 48, considerar un
objeto que se mueve según la función posición
45. Hallar Tt, Nt, a T , y a N.
46. Determinar las direcciones de T y N en relación a la función
posición r.
47. Determinar la rapidez del objeto en cualquier instante t y
explicar su valor en relación al valor de a T .
48. Si la velocidad angular se reduce a la mitad, ¿en qué factor
cambia a N?
s8
22. rt t, cos t, sen
sin t, t 0
1
sin s cos s
2 sen
sin t, sen
sin t t cos t,
43. rt cos t t sen
rt a cos t i a sen
sin t j.
20. rt et, 2 cos t, 2 sen
sin t, t0 0
t2, 12t
t0
36. rt t2 i 2t j, t 1
t1
En los ejercicios 49 a 52, dibujar la gráfica de la curva plana
dada por la función vectorial, y, en el punto sobre la curva
determinada por rt0, dibujar los vectores T y N. Observar que
N apunta hacia el lado cóncavo de la curva.
Función
Instante
1
49. rt t i j
t
t0 2
50. rt t3 i tj
t0 1
sin tj
51. rt 2 cos t i 2 sen
t0 sin t j
52. rt 3 cos t i 2 sen
t0 4
En los ejercicios 53 a 56, hallar Tt, Nt, aT y aN en el instante
dado t para la curva espacial rt. [ Ayuda: hallar at, T(t) y aN.
Resolver para N en la ecuación at aT T aN N. ]
Función
Instante
53. rt t i 2t j 3t k
t1
54. rt 4t i 4t j 2t k
t2
t2
55. rt t i t 2 j k
2
t1
56. rt e t sen
sin t i e t cos t j e t k
t0
En los ejercicios 57 y 58, usar un sistema de álgebra para
computadora y representar gráficamente la curva espacial.
Enton-ces hallar Tt, Nt, aT y aN en el instante dado t. Dibujar
Tt y Nt en la curva en el espacio.
Función
57. rt 4t i 3 cos t j 3 sen
sin t k
58. rt t i 3t 2 j t2
k
2
Instante
t
2
t2
SECCIÓN 12.4
Desarrollo de conceptos
59. Definir el vector unitario tangente, el vector unitario normal
principal, y las componentes tangencial y normal de la aceleración.
60. ¿Cuál es la relación entre el vector unitario tangente y la
orientación de una curva? Explicar.
61. Describir el movimiento de una partícula si la componente
normal de la aceleración es 0.
Vectores tangentes y vectores normales
865
En los ejercicios 65 a 70, hallar los vectores T y N, y el vector
unitario binormal B T N, de la función vectorial rt en el
valor dado de t.
65. rt 2 cos t i 2 sen
sin t j t0 t
k
2
66. rt t i t 2 j 2
t3
k
3
t0 1
62. Describir el movimiento de una partícula si la componente
tangencial de la aceleración es 0.
63. Movimiento cicloidal La figura muestra la trayectoria de una
partícula representada por la función vectorial
rt t sen
sin t, 1 cos t.
La figura muestra también los vectores vtvt y at at en los valores indicados de t.
Figura para 65
Figura para 66
67. rt i sen
sin t j cos t k, t0 4
68. rt 2et i et cos t j et sen
sin t k,
69. rt 4 sen
sin t i 4 cos t j 2t k,
t0 0
t0 3
70. rt 2 cos 2t i 2 sen
sin 2t j t k, t0 a) Hallar aT y aN en t 12, t 1 y t 32.
b) En cada uno de los valores indicados de t determinar si la
rapidez de la partícula aumenta o disminuye. Dar razones
para las respuestas.
64. Movimiento a lo largo de una involuta de un círculo La
figura muestra una partícula que sigue la trayectoria dada por
rt cos t t sin
sin t t cos t.
sen t, sen
La figura muestra también los vectores vt y at para t 1 y
t 2.
4
71. Movimiento de un proyectil Hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración de un proyectil disparado con un
ángulo con la horizontal y con rapidez inicial v0. ¿Cuáles son
las componentes cuando el proyectil está en su altura máxima?
72. Utilizar los resultados del ejercicio 71 para hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración de un proyectil disparado con un ángulo de 45° con la horizontal con rapidez inicial de
150 pies por segundo. ¿Cuáles son las componentes cuando el
proyectil está en su altura máxima?
73. Movimiento de un proyectil Un proyectil se lanza con velocidad inicial de 100 pies por segundo desde 5 pies de altura y con
un ángulo de 30° con la horizontal.
a) Determinar la función vectorial de la trayectoria del proyectil.
b) Usar una graficadora para representar la trayectoria y aproximar la altura máxima y el alcance del proyectil.
c) Hallar vt, vt , y at.
d) Usar una graficadora para completar la tabla.
t
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Velocidad
a) Hallar a T y aN en t 1 y t 2.
b) Determinar si la rapidez de la partícula aumenta o disminuye en cada uno de los valores indicados de t. Dar razones
para las respuestas.
e) Usar una graficadora para representar las funciones escalares a T y aN. ¿Cómo cambia la velocidad del proyectil
cuando a T y aN tienen signos opuestos?
866
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
a) Determinar la función vectorial de la trayectoria del proyectil.
Velocidad orbital En los ejercicios 79 a 82, usar el resultado del
ejercicio 78 para hallar la rapidez necesaria para la órbita circular dada alrededor de la Tierra. Tomar GM 9.56 104 millas cúbicas por segundo al cuadrado, y suponer que el radio de
la Tierra es 4 000 millas.
b) Usar una graficadora para representar la trayectoria y aproximar la altura máxima y el alcance del proyectil.
79. La órbita de un transbordador espacial que viaja a 100 millas
sobre la superficie de la Tierra
c) Hallar vt, vt , y at.
80. La órbita de un transbordador espacial que viaja a 200 millas
sobre la superficie de la Tierra
74. Movimiento de un proyectil Un proyectil se lanza con velocidad inicial de 200 pies por segundo desde una altura de 4 pies
y con un ángulo de 45° con la horizontal.
d) Usar una graficadora para completar la tabla.
t
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Velocidad
75. Control del tráfico aéreo Debido a una tormenta, los controladores aéreos en tierra indican al piloto que vuela a una altitud
de 4 millas que efectúe un giro de 90° y ascienda a una altitud de
4.2 millas. El modelo de la trayectoria del avión durante esta
maniobra es
rt 10 cos 10 t, 10 sen
sin 10 t, 4 4t, 0 ≤ t ≤
1
20
donde t es el tiempo en horas y r es la distancia en millas.
a) Determinar la rapidez del avión.
b) Usar un sistema computacional para álgebra y calcular a T
y a N. ¿Por qué una de éstas es igual a 0?
76. Movimiento de un proyectil Un avión volando a una altitud
de 36 000 pies con rapidez de 600 millas por hora deja caer una
bomba. Hallar las componentes tangencial y normal de la aceleración que actúan sobre la bomba.
77. Aceleración centrípeta Un objeto, atado al extremo de una
cuerda, gira con rapidez constante, de acuerdo con la función
posición dada en los ejercicios 45 a 48.
81. La órbita de un satélite de detección térmica que viaja a 385
millas sobre la superficie de la Tierra
82. La órbita de un satélite SYNCOM que está en órbita geosíncrona a r millas sobre la superficie de la Tierra. [El satélite realiza una órbita por día sideral (aproximadamente 23 horas, 56
minutos), y por consiguiente parece permanecer estacionario
sobre un punto en la Tierra.]
¿Verdadero o falso? En los ejercicios 83 y 84, determinar si la
declaración es verdadera o falsa. Si es falsa, explicar por qué o
dar un ejemplo que muestre que es falsa.
83. Si el indicador de velocidad de un automóvil es constante,
entonces el automóvil no puede estar acelerando.
84. Si aN 0 en un objeto en movimiento, entonces el objeto se
mueve en una línea recta.
85. Una partícula sigue una trayectoria dada por
sinhbtj
rt coshbti senh
donde b es una constante positiva.
a) Mostrar que la trayectoria de la partícula es una hipérbola.
b) Mostrar que at b2 rt.
a) Si la velocidad angular se duplica, ¿cómo se modifica la
componente centrípeta de la aceleración?
86. Mostrar que el vector unitario normal principal N apunta hacia
el lado cóncavo de una curva plana.
b) Si la velocidad angular es variable pero la longitud de la
cuerda se reduce a la mitad, cómo se modifica la componente centrípeta de la aceleración?
87. Mostrar que en un objeto que se mueve en línea recta el vector
Tt es 0.
78. Fuerza centrípeta Un objeto de masa m se mueve con rapidez constante v siguiendo una trayectoria circular de radio r. La
fuerza requerida para producir la componente centrípeta de la
aceleración se llama fuerza centrípeta y está dada por
F mv 2r. La ley de Newton de la gravitación universal está
dada por F GMmd 2, donde d es la distancia entre los centros de los dos cuerpos de masas M y m, y G es una constante
gravitatoria. Usar esta ley para mostrar que la rapidez requerida para el movimiento circular es v GMr.
88. Mostrar que aN v a
.
v
89. Mostrar que aN a2 aT2.
Preparación del examen Putnam
90. Una partícula de masa unitaria se mueve en línea recta bajo la
acción de una fuerza que es función f v de la velocidad v de la
partícula, pero no se conoce la forma de esta función. Se observa el movimiento y la distancia x recorrida en el tiempo t se
encuentra que está relacionada con t por medio de la fórmula
x at bt2 ct3, donde a, b y c tienen valores numéricos
determinados por la observación del movimiento. Hallar la función f v para el rango de v cubierto en el experimento.
Este problema fue preparado por el Committee on the Putnam Prize Competition.
© The Mathematical Association of America. Todos los derechos reservados.
SECCIÓN 12.5
Sección 12.5
Longitud de arco y curvatura
867
Longitud de arco y curvatura
• Calcular la longitud de arco de una curva en el espacio.
• Utilizar el parámetro de longitud de arco para describir una curva plana o curva
en el espacio.
• Calcular la curvatura de una curva en un punto en la curva.
• Utilizar una función vectorial para calcular la fuerza de rozamiento.
Longitud de arco
EXPLORACIÓN
Fórmula para la longitud de arco
La fórmula para la longitud de arco
de una curva en el espacio está dada
en términos de las ecuaciones
paramétricas que se usan para representar la curva. ¿Significa esto que la
longitud de arco de la curva depende
del parámetro que se use? ¿Sería
deseable que fuera así? Explicar el
razonamiento.
Ésta es una representación
paramétrica diferente de la curva del
ejemplo 1.
rt t 2 i 4 3
1
t j t4 k
3
2
Hallar la longitud de arco desde
t 0 hasta t 2 y comparar el
resultado con el encontrado en el
ejemplo 1.
En la sección 10.3 se vio que la longitud de arco de una curva plana suave C dada por
las ecuaciones paramétricas x xt y y yt, a ≤ t ≤ b, es
b
s
xt
2 yt
2 dt.
a
En forma vectorial, donde C está dada por rt xti ytj, se puede expresar esta
ecuación de la longitud de arco como
b
s
rt dt.
a
La fórmula para la longitud de arco de una curva plana tiene una extensión natural a
una curva suave en el espacio, como se establece en el teorema siguiente.
TEOREMA 12.6
Longitud de arco de una curva en el espacio
Si C es una curva suave dada por rt xti ytj ztk, en un intervalo
a, b
, entonces la longitud de arco de C en el intervalo es
b
s
a
EJEMPLO 1
b
xt
2 yt
2 zt
2 dt rt dt.
a
Hallar la longitud de arco de una curva en el espacio
Hallar la longitud de arco de la curva dada por
rt t i 4 32
1
t j t2k
3
2
desde t 0 hasta t 2, como se muestra en la figura 12.27.
Solución Utilizando xt t, yt 43 t 32, y zt 12 t 2, se obtiene xt 1,
yt 2t12, y zt t. Por tanto, la longitud de arco desde t 0 hasta t 2 está
dada por
2
A medida que t aumenta de 0 a 2, el vector
rt traza una curva
Figura 12.27
s
xt
2 yt
2 zt
2 dt
Fórmula para longitud de arco.
0
2
1 4 t t 2 dt
0
2
t 22 3 dt
Tablas de integración (apéndice B), fórmula 26.
0
t 2 2 t 2
0
3
ln t 2 t 22 3
2
3
3
213 ln4 13 1 ln 3 4.816.
2
2
2
3
2
868
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
EJEMPLO 2
Hallar la longitud de arco de una hélice
Hallar la longitud de un giro de la hélice dada
rt b cos ti b sen
sin tj 1 b 2 t k
como se muestra en la figura 12.28.
Solución Se comienza hallando la derivada.
rt b sen
sin ti b cos tj 1 b 2 k
Derivada.
Ahora, usando la fórmula para la longitud de arco, se puede encontrar la longitud de
un giro de la hélice integrando rt desde 0 hasta 2.
s
2
0
2
rt dt
Fórmula para la longitud de arco.
b 2sen
sin22 t cos2 t 1 b 2 dt
0
2
dt
0
Un giro de la hélice
Figura 12.28
2
t
0
2.
Por tanto, la longitud es 2 unidades.
Parámetro longitud de arco
Se ha visto que las curvas pueden representarse por medio de funciones vectoriales de
maneras diferentes, dependiendo del parámetro que se elija. Para el movimiento a lo
largo de una curva, el parámetro adecuado es tiempo t. Sin embargo, cuando se desean
estudiar las propiedades geométricas de una curva, el parámetro adecuado es a
menudo la longitud de arco s.
Definición de la función longitud de arco
Sea C una curva suave dada por rt definida en el intervalo cerrado a, b
. Para
a ≤ t ≤ b, la función longitud de arco está dada por
t
st t
ru du a
xu
2 yu
2 zu
2 du.
a
A la longitud de arco s se le llama parámetro longitud de arco. (Ver figura
12.29.)
Figura 12.29
NOTA La función de longitud de arco s es no negativa. Mide la distancia sobre C desde el
punto inicial xa, ya, za hasta el punto xt, yt, zt.
Usando la definición de la función longitud de arco y el segundo teorema fundamental de cálculo, se concluye que
ds
rt .
dt
En la forma diferencial, se escribe
ds rt dt.
Derivada de la función longitud de arco.
SECCIÓN 12.5
Longitud de arco y curvatura
869
Hallar la función longitud de arco para una recta
EJEMPLO 3
Hallar la función longitud de arco st para el segmento de recta dado por
rt 3 3ti 4t j,
0 ≤ t ≤ 1
y expresar r como función del parámetro s. (Ver figura 12.30.)
Solución Como rt 3i 4j y
rt 32 42 5
se tiene
t
st ru du
0
t
El segmento de recta desde (3, 0) hasta (0, 4)
puede parametrizarse usando el parámetro
longitud de arco s.
Figura 12.30
5 du
0
5t.
Usando s 5t (o t s5), se puede reescribir r utilizando el parámetro longitud de
arco como sigue.
rs 3 35si 45s j,
0 ≤ s ≤ 5.
Una de las ventajas de escribir una función vectorial en términos del parámetro
longitud de arco es que rs 1. De este modo, en el ejemplo 3, se tiene
rs 2
3
5
4
5
2
1.
Así, dada una curva suave C representada por r(s, donde s es el parámetro longitud
de arco, la longitud de arco entre a y b es
b
Longitud
deofarco
Length
arc rs ds
a
b
ds
a
ba
intervalo
longitud
length ofdel
interval.
Además, si t es cualquier parámetro tal que rt 1, entonces t debe ser el
parámetro longitud de arco. Estos resultados se resumen en el teorema siguiente que
se presenta sin demostración.
TEOREMA 12.7
Parámetro longitud de arco
Si C es una curva suave dada por
rs xsi ysj o
rs xsi ysj zsk
donde s es el parámetro longitud de arco, entonces
rs 1.
Si t es cualquier parámetro para la función vectorial r y es tal que rt 1,
entonces t debe ser el parámetro longitud de arco.
870
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Curvatura
Un uso importante del parámetro longitud de arco es hallar la curvatura, la medida
de cuán agudamente se dobla una curva. Por ejemplo, en la figura 12.31 la curva se
dobla más agudamente en P que en Q, y se dice que la curvatura es mayor en P que
en Q. Se puede hallar la curvatura calculando la magnitud de la tasa o ritmo de cambio del vector unitario tangente T con respecto a la longitud de arco s, como se muestra en la figura 12.32.
La curvatura en P es mayor que en Q.
Figura 12.31
Definición de curvatura
Sea C una curva suave (en el plano o en el espacio) dada por rs, donde s es el
parámetro longitud de arco. La curvatura K en s está dada por
K
La magnitud de la tasa o del ritmo de cambio de T respecto a la longitud de arco es la
curvatura de una curva
ddsT Ts.
Un círculo tiene la misma curvatura en todos sus puntos. La curvatura y el radio
del círculo están relacionados inversamente. Es decir, un círculo con un radio grande
tiene una curvatura pequeña, y un círculo con un radio pequeño tiene una curvatura
grande. Esta relación inversa se hace explícita en el ejemplo siguiente.
Figura 12.32
EJEMPLO 4
Hallar la curvatura de un círculo
Mostrar que la curvatura de un círculo de radio r es K 1r.
Solución Sin pérdida de generalidad, se puede considerar que el círculo está centrado en el origen. Sea x, y cualquier punto en el círculo y sea s la longitud de arco
desde r, 0 hasta x, y, como se muestra en la figura 12.33. Denotando por el
ángulo central del círculo, puede representarse el círculo por
r r cos i r sen
sin j.
es el parámetro.
Usando la fórmula para la longitud de un arco circular s r, se puede reescribir r
en términos del parámetro longitud de arco como sigue.
La curvatura de un círculo es constante
Figura 12.33
s
s
rs r cos i r sen
sin j
r
r
La longitud de arco s es el parámetro.
s
s
sen i cos j, se sigue que rs 1, lo que implica que el vector
Así, rs sin
r
r
unitario tangente es
Ts rs
s
s
sen i cos j
sin
rs r
r
y la curvatura está dada por
K Ts s
1
sin j 1r cos sr i 1r sen
r
r
en todo punto del círculo.
NOTA Puesto que una recta no se curva, se esperaría que su curvatura fuera 0. Tratar de comprobar esto hallando la curvatura de la recta dada por
rs 3 3
4
s i sj.
5
5
SECCIÓN 12.5
Longitud de arco y curvatura
871
En el ejemplo 4, la curvatura se encontró aplicando directamente la definición.
Esto requiere que la curva se exprese en términos del parámetro longitud de arco s. El
teorema siguiente da otras dos fórmulas para encontrar la curvatura de una curva
expresada en términos de un parámetro arbitrario t. La demostración de este teorema
se deja como ejercicio [ver ejercicio 88, apartados a) y b)].
TEOREMA 12.8
Fórmulas para la curvatura
Si C es una curva suave dada por rt, entonces la curvatura K de C en t está
dada por
K
Tt rt r t .
rt rt 3
Como rt dsdt, la primera fórmula implica que la curvatura es el cociente
de la tasa o ritmo de cambio del vector tangente T entre la tasa o ritmo de cambio de
la longitud de arco. Para ver que esto es razonable, sea t un número “pequeño”.
Entonces,
Tt
Tt t Tt
t Tt t Tt T
.
dsdt
st t st
t
st t st
s
En otras palabras, para un s dado, cuanto mayor sea la longitud de T, la curva se
dobla más en t, como se muestra en la figura 12.34.
Figura 12.34
EJEMPLO 5
Hallar la curvatura de una curva en el espacio
Hallar la curvatura de la curva definida por rt 2t i t 2j 13 t 3k.
Solución No se sabe a simple vista si este parámetro representa la longitud de arco,
así es que hay que usar la fórmula K Tt rt .
rt 2i 2t j t 2k
rt 4 4t 2 t 4 t 2 2
rt
2i 2t j t 2k
Tt rt t2 2
t 2 22j 2tk 2t2i 2t j t 2 k
Tt t 2 22
4t i 4 2t 2j 4tk
t 2 22
16t 2 16 16t 2 4t 4 16t 2
Tt t 2 22
2t 2 2
2
t 22
2
2
t 2
Longitud de rt.
Longitud de Tt.
Por tanto,
K
Tt 2
2
.
rt t 22
Curvatura.
872
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
El teorema siguiente presenta una fórmula para calcular la curvatura de una curva
plana dada por y f x.
TEOREMA 12.9
Curvatura en coordenadas rectangulares
Si C es la gráfica de una función dos veces derivable dada por y f x,
entonces la curvatura K en el punto x, y está dada por
K
y 2 32.
1 y Demostración Si se representa la curva C por rx xi f xj 0k (donde x es
el parámetro), se obtiene rx i fxj,
rx 1 fx
2
y r x f xj. Como rx r x f xk, se sigue que la curvatura es
rx r x rx 3
f x
1 fx
2 32
y
.
1 y 2
32
K
Sea C una curva con curvatura K en el punto P. Al círculo que pasa por el punto
P de radio r 1K se denomina el círculo de curvatura si el centro del círculo se
encuentra en el lado cóncavo de la curva y tiene en común con la curva una recta tangente en el punto P. Al radio se le llama el radio de curvatura en P, y al centro se le
llama el centro de curvatura.
El círculo de curvatura permite estimar gráficamente la curvatura K en un punto
P de una curva. Usando un compás, se puede trazar un círculo contra el lado cóncavo
de la curva en el punto P, como se muestra en la figura 12.35. Si el círculo tiene radio
r, se puede estimar que la curvatura es K 1r.
El círculo de curvatura
Figura 12.35
EJEMPLO 6
Hallar la curvatura en coordenadas rectangulares
Hallar la curvatura de la parábola dada por y x 14x 2 en x 2. Dibujar el círculo
de curvatura en 2, 1.
Solución La curvatura en x 2 es la siguiente.
y 1 y K
El círculo de curvatura
Figura 12.36
1
2
x
2
y 0
y y 2 32
1 y K
1
2
1
2
Como la curvatura en P2, 1 es 12, el radio del círculo de curvatura en ese punto es 2.
Por tanto, el centro de curvatura es 2, 1, como se muestra en la figura 12.36. [En
la figura, obsérvese que la curva tiene la mayor curvatura en P. Trate de mostrar que
la curvatura en Q4, 0 es 1252 0.177.]
SECCIÓN 12.5
La fuerza del empuje lateral que perciben los
pasajeros en un automóvil que toma una
curva depende de dos factores: la rapidez del
automóvil y lo agudo de la curva
Figura 12.37
Longitud de arco y curvatura
873
La longitud de arco y la curvatura están estrechamente relacionadas con las componentes tangencial y normal de la aceleración. La componente tangencial de la aceleración es la tasa o ritmo de cambio de la rapidez, que a su vez es la tasa o ritmo de
cambio de la longitud de arco. Esta componente es negativa cuando un objeto en
movimiento reduce su velocidad y positiva cuando acelera, independientemente de si
el objeto gira o viaja en una recta. En consecuencia, la componente tangencial es solamente función de la longitud de arco y es independiente de la curvatura.
Por otro lado, la componente normal de la aceleración es función tanto de rapidez como de la curvatura. Esta componente mide la aceleración que actúa perpendicular a la dirección del movimiento. Para ver por qué afectan la rapidez y la curvatura a la componente normal, al manejar un automóvil por una curva, como se muestra
en la figura 12.37. Si la velocidad es alta y la curva muy cerrada, se sentirá empujado
contra la puerta del automóvil. Al bajar la velocidad o tomar una curva más suave, se
disminuye este efecto de empuje lateral.
El teorema siguiente establece explícitamente la relación entre rapidez, curvatura
y componentes de la aceleración.
TEOREMA 12.10
NOTA El teorema 12.10 da fórmulas
adicionales para aT y aN.
Aceleración, rapidez y curvatura
Si rt es el vector posición de una curva suave C, entonces el vector aceleración está dado por
at d 2s
ds
TK
dt 2
dt
2
N
donde K es la curvatura de C y dsdt es la rapidez.
Para el vector posición rt, se tiene
Demostración
at aTT aNN
Dt v
T v T N
d 2s
ds
2 T vKN
dt
dt
2
d s
ds 2
2TK
N.
dt
dt
EJEMPLO 7
Componentes tangencial y normal de la aceleración
Hallar aT y aN de la curva dada por
rt 2t i t 2j 13 t 3k.
Solución Por el ejemplo 5, se sabe que
ds
rt t 2 2 and
dt
K
2
.
t 2 22
Por tanto,
aT d 2s
2t
dt 2
Componente tangencial.
y
aN K
dsdt
2
t2
2
t 2 22 2.
22
Componente normal.
874
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Aplicación
Hay muchas aplicaciones prácticas en física e ingeniería dinámica en las que se
emplean las relaciones entre rapidez, longitud de arco, curvatura y aceleración. Una
de estas aplicaciones se refiere a la fuerza de fricción o de rozamiento.
Un objeto en movimiento de masa m está en contacto con un objeto estacionario.
La fuerza requerida para producir una aceleración a a lo largo de una trayectoria dada es
F ma m
ddt sT mKdsdt N
2
2
2
maTT maNN.
La porción de esta fuerza que es proporcionada por el objeto estacionario se llama
fuerza de fricción o de rozamiento. Por ejemplo, si un automóvil se mueve con rapidez constante tomando una curva, la carretera ejerce una fuerza de fricción o rozamiento que impide que el automóvil salga de la carretera. Si el automóvil no se
desliza, la fuerza de fricción es perpendicular a la dirección del movimiento y su magnitud es igual a la componente normal de la aceleración, como se muestra en la figura 12.38. La fuerza de rozamiento (o de fricción) potencial de una carretera en una
curva puede incrementarse peraltando la carretera.
La fuerza de fricción es perpendicular a la dirección del movimiento
Figura 12.38
EJEMPLO 8
Fuerza de fricción
Un cochecito de carreras de 360 kilogramos viaja a una velocidad de 60 kilómetros
por hora por una pista circular de 12 metros de radio, como se muestra en la figura
12.39. ¿Qué fuerza de fricción (o rozamiento) debe ejercer la superficie en los
neumáticos para impedir que el cochecito salga de su curso?
Solución La fuerza de fricción o rozamiento debe ser igual a la masa por la componente normal de aceleración. En el caso de esta pista circular, se sabe que la curvatura es
1
Curvatura de la pista circular.
.
12
Por consiguiente, la fuerza de fricción es
K
maN mK
Figura 12.39
dsdt
2
360 kg
m
121m60,000
3 600sec
s 3600
8 333(kg
s2. 2.
kg)(m
m)sec
8333
2
SECCIÓN 12.5
Longitud de arco y curvatura
875
Resumen sobre velocidad, aceleración y curvatura
Sea C una curva (en el plano o en el espacio) dada por la función de posición
rt xti ytj
rt xti ytj ztk.
Curva en el plano.
Curva en el espacio.
vt rt
ds
vt rt dt
at r t a TTt aNNt
Vector velocidad, rapidez y
vector aceleración:
Vector unitario tangente y vector
unitario normal principal:
Tt Componentes de la aceleración:
aT a
rt
rt y
Nt Vector velocidad.
Velocidad.
Vector aceleración.
Tt
Tt v a d 2s
2
v
dt
v a
ds
aN a N a2 aT2 K
v
dt
T
y 1 y 2
32
xy yx K 2
x y 2
32
Fórmulas para la curvatura en
el plano:
K
Fórmulas para la curvatura en
el plano o en el espacio:
2
C dada por y f x.
C dada por x xt, y yt.
K Ts rs Tt rt r t K
rt rt 3
at Nt
K
vt 2
s es el parámetro longitud de arco.
t es el parámetro general.
Las fórmulas con productos vectoriales aplican sólo a curvas en el espacio.
Ejercicios de la sección 12.5
En los ejercicios 1 a 6, dibujar la curva plana y hallar su longitud en el intervalo dado.
Función
1. rt t i 3t j
Intervalo
0, 4
2. rt t i t 2k
0, 4
0, 2
0, 6
0, 2
0, 2
3. rt t 3 i t2 j
4. rt t 1i t2 j
sin33 t j
5. rt a cos3 t i a sen
sin t j
6. rt a cos t i a sen
7. Movimiento de un proyectil Una pelota de béisbol es golpeada desde 3 pies sobre el nivel del suelo a 100 pies por segundo y
con un ángulo de 45° con respecto al nivel del suelo.
a) Hallar la función vectorial de la trayectoria de la pelota de
béisbol.
b) Hallar la altura máxima.
c) Hallar el alcance.
d) Hallar la longitud de arco de la trayectoria.
8. Movimiento de un proyectil Un objeto se lanza desde el nivel
del suelo. Determine el ángulo del lanzamiento para obtener a)
la altura máxima, b) el alcance máximo y c) la longitud máxima de la trayectoria. En el apartado c), tomar v0 96 pies por
segundo.
En los ejercicios 9 a 14, dibujar la curva en el espacio y hallar
su longitud sobre el intervalo dado.
Función
9. rt 2t i 3t j t k
10. rt i t 2 j t3 k
sin t
11. rt 3t, 2 cos t, 2 sen
sin t, 5t, 2 cos t
12. rt 2 sen
sin t j bt k
13. rt a cos t i a sen
sin t, sen
sin t t cos t, t 2 14. rt cos t t sen
Intervalo
0, 2
0, 2
0,
2
0, 0, 2
0,
2
876
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
En los ejercicios 15 y 16, usar las funciones de integración de
una graficadora para aproximar la longitud de la curva en el
espacio sobre el intervalo dado.
Función
Intervalo
15. rt t i t j ln t k
1 ≤ t ≤ 3
sin t i cos t j t 3 k
16. rt sen
0 ≤ t ≤ 2
2
17. Investigación Considerar la gráfica de la función vectorial
rt t i 4 t 2j t3 k
a) Aproximar la longitud de la curva hallando la longitud del
segmento de recta que une sus extremos.
b) Aproximar la longitud de la curva sumando las longitudes
de los segmentos de recta que unen los extremos de los vectores r0, r0.5, r1, r1.5, y r2.
c) Describir cómo obtener una estimación más exacta mediante los procesos de los apartados a) y b).
d) Usar las funciones de integración de una graficadora para
aproximar la longitud de la curva. Comparar este resultado
con las respuestas de los apartados a) y b).
18. Investigación Repetir el ejercicio 17 con la función vectorial
rt 6 cos t4 i 2 sen
sin t4 j t k.
19. Investigación Considerar la hélice representada por la función vectorial rt 2 cos t, 2 sen
sin t, t.
a) Expresar la longitud de arco s de la hélice como función de
t evaluando la integral
t
0
xu
2 yu
2 zu
2 du.
b) Despejar t en la relación deducida en el apartado a), y sustituir el resultado en el conjunto de ecuaciones paramétricas
original. Esto da una parametrización de la curva en términos del parámetro longitud de arco s.
c) Hallar las coordenadas del punto en la hélice con longitud de
arco s 5 y s 4.
d) Verify that rs 1.
rt 4sen
sin t t cos t, 4cos t t sen
sin t, 32 t2.
En los ejercicios 21 a 24, hallar la curvatura K de la curva donde
s es el parámetro longitud de arco.
2
2
s i 1
26. rt t 2 j k,
27. rt t i t0
1
j, t 1
t
28. rt t i t 2 j,
t1
29. rt t i cos t j,
t0
2
2
s j
22. rs 3 si j
23. La hélice del ejercicio 19: rt 2 cos t, 2 sin
sent, t
24. La curva del ejercicio 20:
rt 4sen
sin t t cos t, 4cos t t sen
sin t, 32 t 2
t
3
En los ejercicios 31 a 40, hallar la curvatura K de la curva.
sin 2 t j
31. rt 4 cos 2 t i 4 sen
sin t j
32. rt 2 cos t i sen
sin t j
33. rt a cos t i a sen
sin t j
34. rt a cos t i b sen
sin t, a1 cos t
35. rt at sen
sin t, sen
sin t t cos t
36. rt cos t t sen
37. rt t i t 2 j t2
k
2
1
38. rt 2t 2 i tj t 2 k
2
sin t k
39. rt 4t i 3 cos t j 3 sen
sin t j et k
40. rt et cos t i et sen
En los ejercicios 41 a 46, hallar la curvatura y el radio de curvatura de la curva plana en el valor dado de x.
41. y 3x 2,
xa
42. y mx b,
xa
43. y x 1
2x 2
3,
4
44. y 2x ,
x
x1
45. y a 2 x 2,
3
20. Investigación Repetir el ejercicio 19 con la curva representada por la función vectorial
21. rs 1 25. rt 4t i 2t j, t 1
sin t j,
30. rt 5 cos t i 4 sen
en el intervalo 0, 2
.
s
En los ejercicios 25 a 30, hallar la curvatura K de la curva plana
en el valor dado del parámetro.
46. y 4 16 x 2,
x0
x0
Redacción En los ejercicios 47 y 48, se dan dos círculos de curvatura de la gráfica de la función. a) Hallar la ecuación del
círculo menor, y b) escribir un párrafo corto que explique por
qué los círculos tienen radios diferentes.
47. f x sen
sin x
48. f x 4x 2x 2 3
SECCIÓN 12.5
Longitud de arco y curvatura
877
En los ejercicios 49 a 52, usar una graficadora para representar
la función. En la misma pantalla, representar el círculo de curvatura de la gráfica en el valor dado de x.
67. En la elipse dada por x 2 4y 2 4. mostrar que la curvatura
es mayor en los puntos terminales del eje mayor, y es menor en los
puntos terminales del eje menor.
1
49. y x ,
x
68. Investigación Hallar todos los a y b tales que las dos curvas
dadas por
x
y1 axb x y y2 x2
51. y e x,
x1
x0
50. y ln x,
x1
1
52. y 3 x3,
x1
Evoluta Un evoluta es la curva formada por el conjunto de
centros de curvatura de una curva. En los ejercicios 53 y 54 se
dan una curva y su evoluta. Usar un compás para trazar los
círculos de curvatura con centros en los puntos A y B.
x t sen
sin t
53. Cicloide:
x sin
sen t t
b) Usar el resultado del apartado a) para hallar los círculos de
curvatura de la gráfica de f en x 0 y x 1. Usar un sistema computacional para álgebra y representar gráficamente
la función y los dos círculos de curvatura.
y cos t 1
54. Elipse:
c) Representar gráficamente la función Kx y compararla con
la gráfica de f x. Por ejemplo, ¿se presentan los extremos
de f y K en los mismos números críticos? Explicar el razonamiento.
x 3 cos t
y 2 sen
sin t
Evoluta:
x
5
3
5
2
cos3
69. Investigación Considerar la función f x x 4 x 2.
a) Usar un sistema computacional para álgebra y encontrar la
curvatura K de la curva como función de x.
y 1 cos t
Evoluta:
se intersequen en un solo punto y tengan una recta tangente
común y curvatura igual en ese punto. Trazar una gráfica para
cada conjunto de valores de a y b.
70. Investigación La superficie de una copa se forma por revolución de la gráfica de la función
t
y 14 x 85,
sin33 t
y sen
0 ≤ x ≤ 5
en torno al eje y. Las medidas se dan en centímetros.
a) Usar un sistema computacional para álgebra y representar
gráficamente la superficie.
b) Hallar el volumen de la copa.
En los ejercicios 55 a 60 a) hallar el punto de la curva en el que
la curvatura K es máxima y, b) hallar el límite de K cuando
x → .
55. y x 1 3
56. y x3
57. y x 23
58. y 1
x
59. y ln x
60. y e x
2
En los ejercicios 61 a 64, hallar todos los puntos de la gráfica de
una función en los que la curvatura es cero.
61. y 1 x3
62. y x 13 3
63. y cos x
sin x
64. y sen
Desarrollo de conceptos
65. Describir la gráfica de una función vectorial para la que la
curvatura sea 0 en todos los valores t de su dominio.
66. Dada una función dos veces derivable y f x, determinar
su curvatura en un extremo relativo. ¿Puede la curvatura
tener valores mayores que los que alcanza en un extremo relativo? ¿Por qué sí o por qué no?
c) Hallar la curvatura K de la curva generatriz como función de
x. Usar una graficadora para representar K.
d) Si un objeto esférico se deja caer en la copa, ¿es posible que
toque el fondo? Explicar la respuesta.
71. Una esfera de radio 4 se deja caer en el paraboloide dado por
z x 2 y 2.
a) ¿Qué tanto se acercará la esfera al vértice del paraboloide?
b) ¿Cuál es el radio de la esfera mayor que toca el vértice?
72. Rapidez Cuanto menor es la curvatura en una curva de una
carretera, mayor es la velocidad a la que pueden ir los automóviles. Suponer que la velocidad máxima en una curva es
inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la curvatura.
1
Un automóvil recorre la trayectoria y 3 x3 (x y y medidos en
1
millas) puede ir con seguridad a 30 millas por hora en 1, 3 .
3 9
¿Qué tan rápido puede ir en 2, 8 ?
73. Sea C una curva dada por y f x. Sea K la curvatura K 0
en el punto Px0, y0 y sea
z
1 fx02
.
f x0
Mostrar que las coordenadas , del centro de curvatura en
P son , x0 fx0z, y0 z.
878
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
74. Usar el resultado del ejercicio 73 para hallar el centro de curvatura de la curva en el punto dado.
87. Verificar que la curvatura en cualquier punto x, y de la gráfica de y cosh x es 1y2.
0, 1
1
1,
2
c) y x2, 0, 0
75. Se da una curva C por medio de la ecuación polar r f .
Mostrar que la curvatura K en el punto r, es
88. Usar la definición de curvatura en el espacio K T(s) r(s), para verificar cada una de las fórmulas siguientes.
Tt a) K rt rt r t b) K rt 3
a) y e x,
x2
b) y ,
2
K
2r 2 rr r2
.
r 2 r2
32
c) K sen
Sugerencia: Representar la curva por r r cos i r sen j.
76. Usar el resultado del ejercicio 75 para hallar la curvatura de
cada una de las curvas polares.
sin a) r 1 sen
b) r sin c) r a sen
d) r e
77. Dada la curva polar r ea, a > 0, hallar la curvatura K y
determinar el límite de K cuando a) → y b) a → .
78. Mostrar que la fórmula para la curvatura de una curva polar
r f dada en el ejercicio 75 se reduce a K 2r para la
curvatura en el polo.
En los ejercicios 79 y 80, usar el resultado del ejercicio 78 para
hallar la curvatura de la curva rosa en el polo.
sin 2
79. r 4 sen
80. r 6 cos 3
81. Para la curva suave dada por las ecuaciones paramétricas
x f t y y gt, demostrar que la curvatura está dada por
K
ftg t gtf t .
ft
2 g t
232
82. Usar el resultado del ejercicio 81 para encontrar la curvatura K
de la curva representada por ecuaciones paramétricas xt t3
1
y yt 2t 2. Usar una graficadora para representar K y determinar toda asíntota horizontal. Interpretar las asíntotas en el
contexto del problema.
83. Usar el resultado del ejercicio 81 para encontrar la curvatura K
del cicloide representado por las ecuaciones paramétricas
x a sen
sin y
¿Cuáles son los valores mínimo y máximo de K?
89. La longitud de arco de una curva en el espacio depende de la
parametrización.
90. La curvatura de un círculo es igual a su radio.
91. La curvatura de una recta es 0.
92. La componente normal de la aceleración es función tanto de
la velocidad como de la curvatura.
Leyes de Kepler En los ejercicios 93 a 100, se pide verificar las
leyes de Kepler del movimiento planetario. En estos ejercicios,
suponer que todo planeta se mueve en una órbita dada por la
función vectorial r. Sea r r , sea G la constante gravitatoria
universal, sea M la masa del Sol, y sea m la masa del planeta.
93. Demostrar que r r r
dr
.
dt
94. Usando la segunda ley del movimiento de Newton, F ma, y
la segunda ley de la gravitación de Newton, F GmMr3r,
mostrar que a y r son paralelos, y que rt rt L es un
vector constante. Por tanto, rt se mueve en un plano fijo,
ortogonal a L.
95. Demostrar que
96. Mostrar que
d r
1
3 r r r.
dt r
r
r
r
L e es un vector constante.
GM
r
98. Suponer que la órbita elíptica
84. Usar el teorema 12.10 para encontrar aT y aN de cada una de las
curvas dadas por las funciones vectoriales.
b) rt t i t 2 j ¿Verdadero o falso? En los ejercicios 89 a 92, determinar si la
declaración es verdadera o falsa. Si es falsa, explicar por qué o
dar un ejemplo que demuestre que es falsa.
97. Demostrar la primera ley de Kepler: Todo planeta describe
una órbita elíptica con el Sol como uno de sus focos.
y a1 cos .
a) rt 3t 2 i 3t t 3j
at Nt
vt 2
1 2
2t k
85. Fuerza de rozamiento o de fricción Un vehículo de 5 500
libras va a una velocidad de 30 millas por hora por una glorieta
de 100 pies de radio. ¿Cuál es la fuerza de fricción o de rozamiento que debe ejercer la superficie de la carretera en los
neumáticos para impedir que el vehículo salga de curso?
86. Fuerza de rozamiento o de fricción Un vehículo de 6 400
libras viaja a 35 millas por hora en una glorieta de 250 pies de
radio. ¿Cuál es la fuerza de fricción o de rozamiento que debe
ejercer la superficie de la carretera en los neumáticos para
impedir que el vehículo salga de curso?
r
ed
1 e cos está en el plano xy, con L a lo largo del eje z. Demostrar que
L r2
d
.
dt
99. Demostrar la segunda ley de Kepler: Todo rayo del Sol a un
planeta barre áreas iguales de la elipse en tiempos del igual.
100. Demostrar la tercera ley de Kepler: El cuadrado del periodo de
la órbita de un planeta es proporcional al cubo de la distancia
media entre el planeta y el Sol.
879
Ejercicios de repaso
Ejercicios de repaso del capítulo 12
En los ejercicios 1 a 4, a) hallar el dominio de r y b) determinar
los valores de t (si los hay) en los que la función es continua.
1
1. rt t i csc t k
2. rt t i jk
t4
3. rt ln t i t j t k
4. rt 2t 1 i t 2 j t k
En los ejercicios 5 y 6, evaluar (si es posible) la función vectorial en cada uno de los valores dados de t.
5. rt 2t 1 i t 2 j 1 3
3t k
a) r0 b) r2 c) rc 1 d) r1 t r1
2 c) rs d) r t r
En los ejercicios 7 y 8, trazar la curva plana representada por la
función vectorial y dar la orientación de la curva.
sin22 t
7. rt cos t, 2 sen
8. rt t, tt 1
En los ejercicios 9 a 14, usar un sistema computacional para
álgebra a fin de representar gráficamente la curva en el espacio
representada por la función vectorial.
9. rt i t j t 2 k
sin t, 1
11. rt 1, sen
13. rt t, ln t,
1 2
2t
10. rt 2t i t j t 2 k
sin t
12. rt 2 cos t, t, 2 sen
14. rt 12t, t, 14t 3
En los ejercicios 15 y 16, hallar las funciones vectoriales que
describen la frontera de la región de la figura.
15.
16.
En los ejercicios 23 y 24, hallar lo siguiente.
c) Dt [rt ut]
a) rt
b) r t
d) Dt [ut 2rt]
e) Dt [ rt ] , t > 0
23. rt 3t i t 1 j,
sin t j t k
6. rt 3 cos t i 1 sen
a) r0 b) r
En los ejercicios 21 y 22, evaluar el límite.
sin
sen 2t
lím
21. lím
lim t 2 i 4 t 2 j k 22. lim
i et j et k
t→2
t→0
t
ut t i t 2 j f) Dt [rt ut]
2 3
3t k
24. rt sen
sin t i cos t j t k, ut sen
sin t i cos t j 1
k
t
25. Redacción Las componentes x y y de la derivada de la función vectorial u son positivas en t t0, y la componente z
es negativa. Describir el comportamiento de u en t t0.
26. Redacción La componente x de la derivada de la función vectorial u es 0 para t en el dominio de la función. ¿Qué implica
esta información acerca de la gráfica de u?
En los ejercicios 27 a 30, hallar la integral indefinida.
27.
29.
30.
cos t i t cos t j dt
28.
ln t i t ln t j k dt
cos t i sen
sin t j t k
dt
t j t 2 k i t j t k dt
En los ejercicios 31 y 32, hallar rt para las condiciones dadas.
31. rt 2t i et j et k,
r0 i 3j 5k
32. rt sec t i tan t j t 2 k,
r0 3k
En los ejercicios 33 a 36, evaluar la integral definida.
2
33.
2
2
35.
17. Una partícula se mueve en una trayectoria recta que pasa por
los puntos 2, 3, 8 y 5, 1, 2. Hallar una función vectorial para esta trayectoria. (Hay muchas respuestas correctas.)
18. El borde exterior de una escalera de caracol tiene forma de una
hélice de 2 metros de radio. La altura de la escalera es 2 metros
y es tres cuartos de una revolución completa de abajo a arriba.
Hallar una función vectorial para la hélice. (Hay muchas respuestas correctas.)
En los ejercicios 19 y 20, dibujar la curva en el espacio representada por la intersección de las superficies. Usar el parámetro
x t para hallar una función vectorial para la curva en el espacio.
y 2,
19. z xy0
20. x 2 z 2 4,
xy0
x2
1
3t i 2t 2 j t 3 k dt
e t2 i 3t 2 j k dt
34.
36.
1
0
t j t sen
sin tk dt
0
1
t 3 i arcsen
arcsin tj t 2 k dt
En los ejercicios 37 y 38, el vector posición r describe la trayectoria de un objeto que se mueve en el espacio. Hallar la velocidad, la rapidez y la aceleración del objeto.
37. rt cos3 t, sen
sin33 t, 3t
38. rt t, tan t, et Aproximación lineal En los ejercicios 39 y 40, hallar un conjunto de ecuaciones paramétricas para la recta tangente a la
gráfica de la función vectorial en t t0. Usar las ecuaciones de
la recta para aproximar rt0 0.1.
39. rt lnt 3 i t 2 j 12t k,
t0 4
40. rt 3 cosh t i senh
sinh t j 2t k, t0 0
880
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
Movimiento de un proyectil En los ejercicios 41 a 44, usar el
modelo para el movimiento de un proyectil, suponer que no hay
resistencia del aire [at 32 pies por segundo al cuadrado o
at 9.8 metros por segundo al cuadrado.]
En los ejercicios 57 a 60, dibujar la curva plana y hallar su longitud en el intervalo dado.
41. Un proyectil se dispara desde el nivel del suelo a una velocidad
inicial de 75 pies por segundo con un ángulo de 30° con la horizontal. Hallar el alcance del proyectil.
58. rt t 2 i 2tk
42. El centro de la caja de un camión está a 6 pies hacia abajo y a
4 pies horizontalmente del extremo de una cinta transportadora
horizontal que descarga grava (ver la figura). Determinar la
velocidad dsdt a que la cinta transportadora debe moverse
para que la grava caiga en el centro de la caja del camión.
Función
Intervalo
57. rt 2ti 3tj
0, 5
0, 3
0, 2
0, 2
sin33 t j
59. rt 10 cos3 t i 10 sen
sin t j
60. rt 10 cos t i 10 sen
En los ejercicios 61 a 64, dibujar la curva en el espacio y hallar
su longitud en el intervalo dado.
Función
Intervalo
0, 3
0, 2
0, 2
0, 2
61. rt 3t i 2tj 4tk
62. rt ti t 2 j 2tk
sin t, t
63. rt 8 cos t, 8 sen
sin t t cos t, 2cos t t sen
sin t, t
64. rt 2sen
En los ejercicios 65 y 66, usar un sistema computacional para
álgebra a fin de encontrar la longitud de la curva en el espacio
sobre el intervalo dado.
43. Un proyectil se dispara desde el nivel del suelo con un ángulo
de 20° con la horizontal. El proyectil tiene un alcance de 80
metros. Hallar la velocidad inicial mínima.
1
sin t j cos t k, 0 ≤ t ≤ 65. rt 2t i sen
44. Usar una graficadora para representar las trayectorias de un
proyectil si v0 20 metros por segundo, h 0 y a) 30
,
b) 45° y c) 60
. Usar las gráficas para aproximar en
cada caso la altura máxima y el alcance máximo del proyectil.
En los ejercicios 67 a 70, hallar la curvatura K de la curva.
En los ejercicios 45 a 52, hallar la velocidad, la rapidez y la aceleración en el instante t. Después hallar a T y a N en el instante t.
45. rt 5t i
46. rt 1 4t i 2 3t j
47. rt t i t j
2
48. rt 2t 1 i j
t1
49. rt et i et j
sin t j
50. rt t cos t i t sen
1 2
t k
2
1
52. rt t 1 i t j k
t
51. rt t i t 2 j En los ejercicios 53 y 54, hallar un conjunto de ecuaciones
paramétricas para la recta tangente a la curva en el espacio en
el punto dado.
3
sin t j t k, t 53. rt 2 cos t i 2 sen
4
2
54. rt t i t 2 j 3t3 k, t 2
55. Órbita de un satélite Hallar la velocidad necesaria para que
un satélite mantenga una órbita circular 600 millas sobre la
superficie de la Tierra.
56. Fuerza centrípeta Un automóvil circula por una glorieta al
doble de la velocidad permitida. ¿En un factor de cuánto
aumenta la fuerza centrípeta sobre la que se tendría a la velocidad permitida?
sin t i et cos t k, 0 ≤ t ≤ 66. rt et sen
67. rt 3ti 2tj
69. rt 2ti 1 2
2t j
68. rt 2t i 3tj
t2k
sin tk
70. rt 2ti 5 cos tj 5 sen
En los ejercicios 71 a 74, hallar la curvatura y el radio de curvatura de la curva plana en el valor dado de x.
1
71. y 2 x 2 2,
x4
72. y ex2,
x0
4
75. Redacción Un ingeniero civil diseña una autopista como se
muestra en la figura. BC es un arco del círculo. AB y CD son
rectas tangentes al arco circular. Criticar el diseño.
73. y ln x,
x1
Figura para 75
74. y tan x,
x
Figura para 76
76. Un segmento de recta se extiende horizontalmente a la izquierda desde el punto 1, 1. Otro segmento de la recta se
extiende horizontalmente a la derecha del punto 1, 1, como se
muestra en la figura. Hallar una curva de la forma
y ax 5 bx 3 cx
que una los puntos 1, 1 y 1, 1 de manera que la pendiente y curvatura de la curva sean cero en los puntos terminales.
Ejercicios de repaso
P.S.
SP
Solución
Problem de
Solving
problemas
1. La espiral cornu está dada por
t
xt 0
cos
u2
2 du
t
y
yt 0
u2
2 du.
sin
sen
881
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4. Repetir el ejercicio 3 si el bombardero está orientado en dirección opuesta a la del lanzamiento, como se muestra en la figura.
La espiral mostrada en la figura fue trazada sobre el intervalo
≤ t ≤ .
5. Considerar un arco del cicloide
r sen
sin i 1 cos j, 0 ≤ ≤ 2
a) Hallar la longitud de arco de esta curva desde t 0 hasta
t a.
b) Hallar la curvatura da la gráfica cuando t a.
c) La espiral cornu la descubrió James Bernoulli. Bernoulli
encontró que la espiral tiene una relación interesante entre
curvatura y longitud del arco. ¿Cuál es esta relación?
que se muestra en la figura. Sea s la longitud de arco desde el
punto más alto del arco hasta el punto x, y, y sea
1
el radio de curvatura en el punto x, y.
K
Mostar que s y están relacionados por la ecuación
s 2 2 16. (Esta ecuación se llama ecuación natural de la
curva.)
2. Sea T la recta tangente en el punto Px, y a la gráfica de la curva
x 23 y23 a 23, a > 0, como se muestra en la figura.
Mostrar que el radio de curvatura en P es el triple de la distancia
del origen a la recta tangente T.
3. Un bombardero vuela horizontalmente a una altitud de 3 200
pies con una velocidad de 400 pies por segundo cuando suelta
una bomba. Un proyectil se lanza 5 segundos después desde un
cañón orientado hacia el bombardero y abajo a 5 000 pies del
punto original del bombardero, como se muestra en la figura. El
proyectil va a interceptar la bomba a una altitud de 1 600 pies.
Determinar la velocidad inicial y el ángulo de inclinación del
proyectil. (Despreciar la resistencia del aire.)
6. Considere el cardioide r 1 cos , 0 ≤ ≤ 2, que se
muestra en la figura. Sea s la longitud de arco desde el punto
1
2, del cardioide hasta el punto r, , y sea el radio
K
de curvatura en el punto r, . Mostrar que s y están relacionados por la ecuación s 2 92 16. (Esta ecuación se
llama ecuación natural de la curva.)
7. Si rt es una función no cero derivable de t, demostrar que
d
1
rt
r t rt.
dt
rt
882
CAPÍTULO 12
Funciones vectoriales
8. Un satélite de comunicaciones se mueve en una órbita circular
alrededor de la Tierra a una distancia de 42 000 kilómetros del
centro de la Tierra. La velocidad angular
d
radianes por hora
dt
12
c) Hallar la curvatura K como función de t. Hallar las curvaturas cuando t es 0, 1 y 2.
es constante.
d 2
dr d
ur r 2 2
u
dt
dt dt 2
a) Usar una graficadora para representar la función.
b) Hallar la longitud de arco en el apartado a).
a) Utilizar coordenadas polares para mostrar que el vector
aceleración está dado por
d 2r
d 2r
d
a 2 r
dt
dt 2
dt
13. Considerar la función vectorial rt t cos t, t sen
sin t,
0 ≤ t ≤ 2.
donde ur cos i sin j es el vector unitario en la
sen i cos j.
dirección radial y u sin
b) Hallar las componentes radial y angular de la aceleración
para el satélite.
En los ejercicios 9 a 11, usar el vector binormal definido por la
ecuación B T N.
9. Hallar los vectores unitario tangente, unitario normal y bino
mal a la hélice rt 4 cos ti 4 sen
sin tj 3tk en t .
2
Dibujar la hélice junto con estos tres vectores unitarios mutuamente ortogonales.
10. Hallar los vectores unitario tangente, unitario normal y binor
mal a la curva rt cos ti sen
sin tj k at t . Dibujar la
4
hélice junto con estos tres vectores unitarios mutuamente ortogonales.
d) Usar una graficadora para representar la función K.
e) Hallar (si es posible) el lím
lim K.
t→ f) Con el resultado del apartado e), hacer conjeturas acerca de
la gráfica de r cuando t → .
14. Se quiere lanzar un objeto a un amigo que está en una rueda de
diversión (ver la figura). Las ecuaciones paramétricas siguientes dan la trayectoria del amigo r1t y la trayectoria del objeto r2t. La distancia está dada en metros y el tiempo en segundos.
r1t 15 sen
sin
t
t
i 16 15 cos
j
10
10
r2t 22 8.03t t0 i 1 11.47t t0 4.9t t02 j
11. a) Demostrar que existe un escalar , llamado torsión, tal que
dBds N.
b) Demostrar que
dN
K T B.
ds
(Las tres ecuaciones dTds K N, dNds K T B, y
dBds N son llamadas las fórmulas de Frenet-Serret.)
12. Una autopista tiene una rampa de salida que empieza en el ori1 52
gen de un sistema coordenado y sigue la curva y 32
x
hasta el punto (4, 1) (ver la figura). Después sigue una trayectoria circular cuya curvatura es la dada por la curva en 4, 1.
¿Cuál es el radio del arco circular? Explicar por qué la curva y
el arco circular deben tener en 4, 1. la misma curvatura.
a) Localizar la posición del amigo en la rueda en el instante
t 0.
b) Determinar el número de revoluciones por minuto de la
rueda.
c) ¿Cuál es la rapidez y el ángulo de inclinación (en grados) al
que el objeto es lanzado en el instante t t0?
d) Usar una graficadora para representar las funciones vectoriales usando un valor de t0 que permite al amigo alcanzar el
objeto. (Hacer esto por ensayo y error.) Explicar la importancia de t0.
e) Hallar el instante aproximado en el que el amigo deberá
poder atrapar el objeto. Aproximar las velocidades del amigo y del objeto en ese instante.