miércoles, 23 de marzo de 2016

Aplicaciones de la Derivada Parte 2

Aplicaciones de la Derivada

Ángulo entre 2 curvas

Sea P(x0,y0) el punto de intersección entre las curvas f(x) y g(x), entonces el ángulo θ entre las curvas se obtiene con:
tan θ = [f’(x0) - g’(x0)] / [1 + f’(x0) g’(x0)]

Donde f’(x0) es la pendiente de la recta L2 y g’(x0) es la pendiente de la recta L1.

Curvatura

Radio de curvatura

En geometría plana la longitud de un segmento circular está dada por la fórmula: s=r(θ) à r= s/θ





En la figura se observa que “s” cambia cuando θ cambia.



En una curva cualquiera, al tomar un segmento muy pequeño formado por dos puntos de la curva y al relacionar la fórmula anterior se tiene que:

De la fórmula anterior se define:
∆r = ∆s / ∆θ
Luego, si la longitud ∆s es cada vez más pequeña, es decir, tiende a 0, el radio de curvatura se define con el siguiente límite:
r = lím∆sà0 [∆s / ∆θ] = ds/dθ à r = ds/dθ



En esta figura se tienen dos puntos, P y Q, de la curva, muy próximos entre sí, en cada punto se traza una recta tangente y su normal. Al punto de intersección entre las normales se llama Centro de Curvatura y a la distancia del centro a cualquiera de los puntos P y Q se llama radio de curvatura.

La expresión “1/r = dθ / ds” recibe el nombre de curvatura.


Para determinar la fórmula que permita calcular el radio de curvatura se tiene la siguiente figura.
En la función f(x) se tienen los puntos P y Q infinitamente muy próximos, de manera que la longitud del segmento circular ds sea igual a la longitud del segmento PQ; entonces, de la representación geométrica de la derivada se obtiene que:
dy/dx = tanθ à θ = arc tan (dy/dx)

Del triángulo PQR y el teorema de Pitágoras se obtiene:
ds = [(dx)2+(dy)2]1/2 = ( [1+ (dy/dx)2] (dx)2 )1/2 = ( [1+ (dy/dx)2] )1/2 dx
Luego:
ds = r (dθ) à r = ds / dθ
r = ds / dθ = ( [1+ (dy/dx)2] )1/2 dx / d[arc tan (dy/dx)] = [1 + (dy/dx)2] [1+ (dy/dx)2]1/2 / (d2y/dx2)

Solo derivamos el denominador porque tenemos “θ” y no “dθ” porque el diferencial indica que es una derivada, el numerador ya es directamente el diferencial de “s”.

Finalmente, la fórmula para determinar el radio de curvatura es:
r = [{1+ (y’)2}3]1/2 / (y’’)
ó
r = [{1+ (dy/dx)2}3]1/2 / (d2y/dx2)

Círculo de Curvatura

Es una curva dada en un punto de tangencia a la circunferencia, que tiene de centro el centro de la curvatura y de radio de curvatura y que pasa por un punto de tangencia, también se le conoce como circunferencia osculatriz o círculo osculador.





Centro de Curvatura

Para determinar la fórmula que permita calcular el cetntro de curvatura se tiene la siguiente figura.





Donde:
C(a,b) = Centro de Curvatura
Q(x,y) = Punto de la Curva
r = Radio de Curvatura





Se obtiene la ecuación de la recta normal de la recta tangente en el punto Q.
b - y = - (1/y) (a-x)
Se obtiene la ecuación de la circunferencia de centro en el punto C(a,b), radio “r” y que pasa por el punto Q(x,y).
(x - a)2 + (y - b)2 = r2
Al resolver el sistema de ecuaciones, se obtienen las coordenadas del centro de curvatura.
a = x – [ (dy/dx) (1 + {dy/dx}2) / (d2y/dx2) ], b = y + [ (1 + {dy/dx}2) / (d2y/dx2) ]
ó
a = x – [ (y’) (1 + {y’}2) / (y’’) ], b = y + [ (1 + {y’}2) / (y’’) ]

Radio de Curvatura en coordenadas paramétricas

Dadas las ecuaciones de una curva en coordenadas paramétricas
x = f(t), y = g(t)
El parámetro es cuando a la ecuación se le agrega valga la redundancia un parámetro “t” que puede representar tiempo normalmente en física.
Entonces, al derivar y sustituir en la fórmula del radio de curvatura en coordenadas rectangulares, se obtiene:
r = [{(dx/dt)2 + (dy/dt)2}1/2]3 / [(dx/dt)(d2y/dt2) – (dy/dt)(d2x/dt2)]
ó
r = [{(x’)2 + (y’)2}1/2]3 / [(x’)(y’’) – (y’)(x’’)]

Radio de Curvatura en Coordenadas Polares

Dada la curva con la ecuación de la forma:
ρ = f(θ)
Se tiene que:
x= ρcosθ, y = ρsenθ
Entonces, al derivar y sustituir en la fórmula del radio de curvatura en coordenadas rectangulares, se obtiene:
r = [{ρ + (dρ/dθ)2}1/2]3/[ρ2 + 2(dρ/dθ)2 – ρ(d2ρ/dθ2)]
ó
r = [{ρ + (ρ’)2}1/2]3/[ρ2 + 2(ρ’)2 – ρ(ρ’’)]
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