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calculo
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Pág. 48-53
1. Hallar la longitud de arco de la hélice cónica C: a (t )=[aeCos (T ) , aeSen (T ) , ae t ] desde el punto (0,0,0 ) hasta el punto A (a ,0 , a )
SOLUCION
La longitud de arco de una curva paramétrica
L=∫a
b
|f (t )|dt=∫a
b
√[ x '(t )]2+[ y ' (t )]2+ [z '(t )]2dx
Luego: a (t )=[ae' cos (t ) , a e ' Sen (t ) , ae ' ] ,t ∈(−∞ ,0)
a (t )=¿
L=∫−∞
0
√a ' e ' [cos2 ( t )−2Sen ( t )cos ( t )+cos2 ( t ) cos2+2Sen ( t ) cos ( t )+cos2+1 ]dt
L=∫−∞
0 √a' e' [1+1+1] dt=∫−∞
0
aet √3dt=aet√3∫−∞
0
¿ a√3
2. Calcular L, para la función vectorial definida por :a (t )=[aCos (t ) , aSen (t ) , dt ] en0≤ t ≤ π /2
SOLUCIONLa longitud de arco de una curva paramétrica:
L=∫a
b
! f (t ) !dt=∫a
b
√ [ x ' (t)]2+[ y ' (t)]−2+[ z ' (t) ]−2dx
Luegoa (t )=[aCos (t ) , aSen (t ) , dt ] en0≤ t ≤ π /2
a ' (t )=[−aSen (t ) , aCos (t ) , c ]
L=∫0
X2
√ [aSen (t)]2+ [aCos(t )]2+c2dt=√a2+c2∫0
x2
dx=π √a2+c22
3. Encontrar la longitud de la curva definida por f (t )=[∫0
1cos (θ)
√θdθ ,∫
0
1Sen (θ)
√θdθ ,4 √t ]
entre t=1 y t=t , sabiendo que f (t) es el punto donde f ' (t 1) es paralelo al plano YZ ⟨1<¿1<2 ⟩.
SOLUCION
La longitud de arco de la curva paramétrica:
L=∫a
b
||f ( t)||dt=∫a
b
√ [ x ' (t)]2+ [ y ' (t)]2+[ z ' (t)]2dt
Luego:
f (t)=[∫0
1cos (θ )√θ
dθ ,∫0
1Sen (θ )
√θdθ ,4 √t ]0≤t≪t 1
f ' (t )=[ cos (t)√ t,Sen (t)
√ tdθ ,
2√2 ]
L=√[ cos (t)√ t ]2
+¿[ Sen( t)√ t ]2
+4tdt=∫
1
t 1 √ cos2 ( t )+Sen ( t )+4t
dt=∫0
t1 √5tt 1+1
dt ¿
L=√5t12
∮1
t1
2√5 (√t 1−1 )
4. Una partícula se mueve en el plano XY según la ecuación x=e−2 t cos (3 t ) , y=e−2 tSen (3 t) encuentra la trayectoria desde t=0 a t=π
SOLUCION
. La longitud de arco de la curva paramétrica:
L=∫a
b
! f (t ) !dt=∫a
b
√ [ x ' (t)]2+[ y ' (t)]−2+[ z ' (t) ]−2dx
Luego
f ( t )=[ e−2t cos (3 t ) , e−2 tSen (3 t ) ]0≤ t ≤π
f (t )=[−2e−2 t cos (3t )−3e−2 t Sen (3t ) ,−2e−2 tSen (3 t )+3e−2 t cos (3 t )]
L=∫0
X
√ [−2e−2 t cos (3 t )−3e−2 tSen (3 t ) ]1+ [−2e−2 t Sen (3t )+3e−2 t cos (3 t ) ]2dt
L=∫0
X
√e−2 t [4 cos2 (3 t )+12Sen (3 t ) cos (3 t )+9Sen2(3 t)]dt
L=∫0
X
√e−2 t ¿¿¿
L=∫0
π
√e−4 t (4+9)dt=√13∫0
π
e−2πdt=√132
e−2 t|π0=√132
(1−e−2)
5. Considere la curva descrita por f ( t )=[ t , aCh( ta ) , aSh( ta )] demuestre que la distancia a lo largo
de la curva desde (0, a, 0) hasta Pº en la curva es proporcional a la distancia de Pº al plano XY.SOLUCION
La longitud de arco de una curva paramétrica
L=∫a
b
||f ( t)||dt=∫a
b
√ [ x ' (t)]2+ [ y ' (t)]2+[ z ' (t)]2dt
Luego
f (t )=[ t , aCh( ta ) , aSh( ta )]0≤ t ≤ pº
f ' (t )=[1 , Sh ( ta ) ,Ch( ta )]
L=∫0
Pº √1+[Sh( ta )]1
+[Ch( ta )]−2
dt=∫0
Pº √[Sh( ta )]1
+[Ch( ta )]2
dt
L=√2∫0Pº
Sh( ta )dt=a√2Sh( ta ){Pº0 =a√2Sh( Pºa )
6. Sea la función r=g (θ) con derivada continua en t∈ ⟨a|b ⟩. Demuestre que la longitud de la curva
es L=∫a
b
√ S2+(S2 )2dt
SOLUCION
La longitud d arco de una curva paramétrica:
L=∫a
b
|f (t )|dt=∫a
b
√[ X ' (t) ]2+¿ [Y '(t) ]2dt ¿
Luego y=rSen (θ ) , x=r cos (θ )
Y=Sen (θ )+cos (θ ) ; x'=cos (θ )−rSen (θ )
Arreglándolo según la expresión dada:
(x )2+( y )2=[r 'cos (θ )−rSen (θ)]2+[rSen (θ )+rCos (θ)]2
(x )2+( y )2=¿ (r ')2 cos2 (θ )−r ' Sen(θ) [r 'cos (θ )−rSen (θ)]2+[rSen (θ )+rCos (θ)]2
r e ' Sen (θ ) cos (θ )+(r )2 cos2(θ) (x )2+( y )2=(r ')2+r2
Luego:
L=∫a
b
√ [r ' ]2+ [r ]2dt=∫a
b
√ g2+[ g '2 ] dt Demostrado
7. Se la elipse descrita por x=aCos (t ) , y=bSen (t ) , t∈ [0,2x ] ,0<b<a . demuestra que la longitud
de la elipse es L=4a∫u
π2
√1−e2(t)dtdonde e es la excentricidad de la elipse.
SOLUCION
La longitud de arco de una curva paramétrica:
L=∫a
b
|f (t )|dt=∫a
b
√[ x '(t )]2+[ y '(t )]2dt
Luego y=bSen ( t ) , x=acos (t )
y=bcos ( t ) , x '=aSen (t ) , Pero e=ca
, c=ea , a2=c2+b2
a2=e2+a2+b2 b2=a2+(1−e2)
Arreglando según la expresión dada:
(x2 )+( y2 )=[bCos(t) ]2+[−aSen (t)]2
(x2 )+( y2 )=b2 cos2 ( t )+a2Sen2 ( t )=a2 (1−e2 )cos2 ( t )+a2Sen2 (t )
(x2 )+( y2 )=a2 cos2 (t )−a2 e2cos2 (t )+a2 [1−cos2(t) ]
(x2 )+( y2 )=a2−a2 e2 cos2 (t )=a2 [1−cos2(t) ]
Luego: 4 regiones si se considera 0≤ t ≤π2
L=∫a
b
√ [ x ' (t)]2+[ y ' (t) ]2dt=4∫0
π2
√a2 [1−e2cos2 (t )]dt
Demostrado
L=4∫0
π2
√a2 [1−e2cos2(t )]dt
8. Hallar la longitud de arco de la línea C : x2=3 y ,2xy=9 z desde el punto (0,0,0 ) hasta el punto (3,3,2)
SOLUCION
Parametrizamos las ecuaciones dadas: x=t,
y= t 2
3, z= 2tt 2
3 (9)=2 t
2
27La longitud de arco de una curva paramétrica
L=∫a
b
|f (t )|dt=∫a
b
√[ x '(t )]−2+ [ y ' (t)]−2+[ z ' (t)]−2dt
Luego
x=1 y= t2
3;z=2 t
2
27;0≤t ≤3
x '=1 y '= t 2
3; z '=2 t
2
27
L=∫0
3
√1+( 2 t3 )2
+( 2 t9 )2
dt=∫0
3
√ 81+36 t 2+4 t481dt=¿∫
0
3 √ (2t 2+9 )2
81dt ¿
L=∫0
3 √ (2t 2+9 )2
81dt=2 t
3
27+t {30=2+3=5