Coordenadas Polares - DSpace en ESPOL

Moisés Villena Muñoz Coordenadas Polares
4
4.1 EL SISTEMA POLAR
4.2 ECUACIONES EN COORDENADAS POLARES
4.3 GRÁFICAS DE ECUACIONES EN COORDENADAS
POLARES: RECTAS, CIRCUNFERENCIAS, PARÁBOLAS,
ELIPSES, HIPÉRBOLAS, LIMACONS, ROSAS, LEMNISCATAS,
ESPIRALES.
Objetivos:
Se pretende que el estudiante:
• Grafique Rectas, circunferencias, parábolas, elipses,
hipérbolas, limacons, rosas, lemniscatas, espirales en
coordenadas polares
77

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4.1 EL SISTEMA POLAR
El plano cartesiano es un sistema rectangular, debido a que las
coordenadas de un punto geométricamente describen un rectángulo. Si
hacemos que este punto represente un vector de magnitud r que parte
desde el origen y que tiene ángulo de giro θ , tendríamos otra forma de
definir un punto.
Sería suficiente, para denotar al punto de esta manera,
mencionar el valor de r y el valor de θ . Esto se lo va a hacer indicando
el par ordenado ( r , θ ) , en este caso se dice que son las coordenadas
polares del punto.
Se deducen las siguientes transformaciones:
⎧ 2
⎪r
= x + y
De rectangulares a polares: ⎨
⎪⎩ θ = arctg
De polares a rectangulares: ⎨
⎩ ⎧x
= r cos θ
y = r sen θ
Una utilidad de lo anterior la observamos ahora.
Ejemplo
Encuentre las coordenadas polares del punto P ( 1,
1)
SOLUCIÓN:
Representando el punto en el plano cartesiano, tenemos:
y
x
2

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⎧ 2 2
r = 1 + 1 =
⎪
Utilizando las transformaciones ⎨
1 π
⎪θ
= arctg = 1
⎩
4
Además se podría utilizar otras equivalencias polares:
π π
π −
( 2,
) = ( 2,
−7
) = ( − 2,
5 ) = ( − 2,
3 ) (Analícelas)
4
4
4
4
Para representar un punto en el plano, conociendo sus
coordenadas polares, no es necesario hallar sus coordenadas
rectangulares; se lo puede hacer directamente. Este trabajo puede ser
muy sencillo si se dispone de un plano que tenga como referencia
ángulos y magnitudes.
Un plano con estas características se lo llama Sistema Polar o
Plano Polar. Consiste de circunferencias concéntricas al origen y rectas
concurrentes al origen con diferentes ángulos de inclinación.
Al eje horizontal se lo llama “Eje Polar”, al eje vertical se lo llama
π
“Eje
2
”. El punto de intersección entre estos dos ejes se lo llama
“Polo”.
2
π
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165
180
195
150
210
225
135
240
120
255
105
Polo
π
Eje
2
270
Ejercicios propuestos 4.1
1. Construya un plano polar y marque los puntos cuyas coordenadas polares son dadas.
Exprese dichos puntos con r > 0 y con r < 0 .
a. ( 1,
)
2
π b. ( 3,
0)
2π
c. ( 4,
− )
3
3π
e. ( − 2,
)
2
d. ( − 1,
π)
2. Construya un plano polar y marque los puntos cuyas coordenadas polares son dadas. Luego
encuentre las coordenadas cartesianas de dichos puntos.
a. (
π
2,
)
4
e. ( 4,
3π
)
π
b. ( − 1,
)
3
2π
f. ( 2,
)
3
7π
c. ( 4,
− )
6
5π
g. ( − 2,
− )
3
3 3π
d. ( , )
2 2
5π
h. ( − 4,
)
4
3. Encuentre las coordenadas polares de los siguientes puntos.
a. (− 1,
1)
b. ( 2 3,
− 2)
c. ( − 1,
− 3)
d. ( 3,
4)
75
285
Eje Polar
4. (INVESTIGACIÓN) Encuentre la distancia entre los puntos dados en coordenadas polares.
Verifique su respuesta hallando la distancia, utilizando coordenadas cartesianas.
π 3π
a. ( 1,
) − ( 3,
) . b. (
6 4
π
π π
2,
) − ( 1,
4π)
c. ( 1,
) − ( 1,
)
4
3 6
60
300
45
315
30
330
15
345

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4.2 ECUACIONES EN COORDENADAS POLARES
Una ecuación en coordenadas polares la presentaremos de la
forma r = f (θ)
. Por tanto para obtener la gráfica, en primera instancia,
podemos obtener una tabla de valores para ciertos puntos y luego
representarlos en el sistema polar; luego sería cuestión de trazar la
gráfica siguiendo estos puntos.
Ejercicio Propuesto 4.2
1. Encuentre la ecuación cartesiana de la curva descrita por la ecuación polar dada.
a. r sen( θ)
= 2
b. r = 2sen( θ)
1
c. r =
1−
cos( θ)
2
d. r = sen( 2θ)
e.
2
3
r = θ
f. r =
2 − 4cos(
θ)
2. Encuentre la ecuación polar de la curva descrita por la ecuación cartesiana dada.
a. y = 5
e. y = x + 1
2 2
b. x + y = 25
2
f. x = 4y
c. 2 xy = 1
2 2
g. x − y = 1
2
d.
2 2 2 2 2 2
x
b x + a y = a b
h. y =
4 p
3. Realice una tabla de valores y trace punto a punto en un plano polar, la gráfica de:
1.
2.
6
r =
cos θ
6
r =
sen θ
r = 6 cos
r = 3 + 3cos
r = 6 + 3cos
r = 3 + 6 cos
9
r =
3 + 3cosθ
9
r =
6 + 3cosθ
9
r
=
3 + 6cosθ
3. θ
4. θ
5. θ
6. θ
7.
8.
9.
81

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4.3 GRÁFICAS DE ECUACIONES EN COORDENADAS
POLARES
Se trata ahora de presentar ecuaciones polares típicas que
permitan por inspección describir su lugar geométrico.
4.3.1 RECTAS
4.3.1.1 Rectas tales que contienen al polo.
La ecuación cartesiana de una recta tal que el origen
pertenece a ella, es de la forma y = mx
Realizando las transformaciones respectivas:
y = mx
r sen θ = m r cosθ
sen θ
= m
cosθ
tg θ = tg φ
Resulta, finalmente:
Ejemplo
Graficar
π
θ =
4
θ = φ
Por inspección de la ecuación dada concluimos rápidamente que el lugar geométrico es
π una recta, que pasa por el polo con un ángulo de . Es decir:
4

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4.3.1.2 Rectas tales que NO contienen al polo y se
encuentran a una distancia "d" del polo.
Observemos la siguiente representación gráfica:
Del triangulo tenemos: cos ( θ − φ)
Por tanto, la ecuación del mencionado lugar geométrico
sería:
Ejemplo
4
Graficar r
=
cos θ −
π ( )
6
=
d
r =
cos
d
r
( θ − φ)
83

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84
SOLUCIÓN:
Por inspección de la ecuación dada concluimos rápidamente que el lugar geométrico es
una recta, que se encuentra a una distancia de 4 unidades del polo y la medida del
π ángulo de la perpendicular a la recta es . ES decir:
6
Ahora veamos casos especiales:
1. Si
0
φ = entonces la ecuación resulta
vertical.
Al despejar resulta r cos θ = d es decir x = d .
π 2. Si φ = entonces la ecuación resulta:
2
r =
Una recta horizontal.
d
=
d
r = . Una recta
cos θ
π π
π
( θ − ) cos θ cos + sen θsen
sen θ
cos 2
2
2
d
=
d

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3. Si φ = π entonces la ecuación resulta:
d
r =
cos
Una recta vertical.
=
d
( θ − π)
cos θ cos π + sen θsen
π − cos θ
4. Si 3 2
π φ = entonces la ecuación resulta:
r =
Una recta horizontal.
4.3.2 CIRCUNFERENCIAS
d
=
π π
π
( θ − 3 ) cos θ cos 3 + sen θsen
3 − sen θ
cos 2
2
2
4.3.2.1 Circunferencias con centro el polo.
La ecuación cartesiana de una circunferencia es:
2 2
x + y =
Aplicando transformaciones tenemos:
2
a
2 ( r cosθ)
+ ( r sen θ)
r
r
r
2
2
2
+ y
cos
2
2
2
2
( cos θ + sen θ)
= a
2
= a
2
θ + r
Resultando, finamente:
x
2
sen
2
2
2
r =
a
d
θ = a
= a
= a
2
2
2
=
=
d
d
85

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Ejemplo
Graficar r = 2
SOLUCIÓN:
Por inspección de la ecuación dada concluimos que el lugar geométrico es una
circunferencia con centro el polo y que tiene radio 2.
4.3.2.2 Circunferencias tales que contienen al polo y
a , φ
tienen centro el punto ( )
Observemos el gráfico:
De allí obtenemos el triángulo:

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Aplicando la ley del coseno y despejando, tenemos:
Resultando, finalmente:
Ejemplo
π
Graficar r = 4 cos(
θ − )
SOLUCIÓN:
3
a
r
2
2
r = 2a cos
= r
2
+ a
2
= 2ar
cos
( θ − φ)
− 2ar
cos
( θ − φ)
( θ − φ)
Por inspección de la ecuación dada concluimos que el lugar geométrico es una
circunferencia tal que el polo pertenece a ella y su centro es el punto ( 2, ) 3
π . Por tanto su
gráfico es:
Casos especiales, serían:
1. Si
0
= 2 cos 0 2a
cos
φ = tenemos r a ( θ − ) = θ
Que transformándola a su ecuación cartesiana, tenemos:
r =
2a
cos θ
x
r = 2a
r
2
r = 2ax
x
2
+ y
2
= 2ax
2
2
( x − 2ax
+ a )
+ y
2 2 2
( x − a)
+ y = a
2
= 0 + a
2
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Una circunferencia con centro el punto (a , 0)
y radio r = a
2. Si = π
φ tenemos r = 2a cos(
θ − π)
= −2a
cos θ
Una circunferencia con centro el punto ( − a,
0)
y radio r = a
π 3. Si = 2
π = 2 cos 2a
sen
2
φ tenemos r a ( θ − ) = θ
Una circunferencia con centro el punto ( 0,
a ) y radio r =
a

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4. Si 3 2
π =
π = 2 cos 3 2a
sen
2
φ tenemos r a ( θ − ) = − θ
Una circunferencia con centro el punto ( 0,
− a)
y radio r = a
4.3.3 CÓNICAS tales que el foco es el polo y su recta
directriz está a una distancia "d" del polo
Observe la figura.
Se define a la parábola ( e = 1),
a la elipse ( 0 < e < 1)
y a la hipérbola
( e > 1)
como el conjunto de puntos del plano tales que:
( P,
F ) =
e d(
P l)
d ,
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Entonces:
Casos especiales son:
1. Si
0
φ = tenemos
2. Si φ = π tenemos
π
3. Si φ = tenemos
2
4. Si 3
2
π
φ = tenemos
d
r
r
Ejemplo 1
6
Graficar r =
1+
cosθ
SOLUCIÓN:
( P,
F ) = e d(
P,
l)
r = e[
d − r cos(
θ − φ)
]
r = ed − er cos(
θ − φ)
+ er cos(
θ − φ)
= ed
[ 1+
ecos(
θ − φ)
] = ed
ed
r =
1+
ecos
( θ − φ)
ed
r =
1+ ecosθ
ed
r =
1− ecosθ
ed
r =
1+ esen
θ
ed
r =
1− esen
θ
En este caso " e = 1 " (el coeficiente del coseno) por tanto tenemos una parábola con
foco el polo (el origen) y directriz con ecuación cartesiana " x = 6 " (a la derecha y
π
paralela al eje ). Parábola cóncava a la izquierda.
2

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Ejemplo 2
6
Graficar r =
1−
cosθ
SOLUCIÓN:
Como el ejemplo anterior, es una parábola; pero ahora como hay un signo negativo en
la función trigonométrica, la recta directriz tendrá ecuación cartesiana “ x = −6
" (a la
π
izquierda y paralela al eje ). Cóncava hacia la derecha.
2
Ejemplo 3
6
Graficar r =
1+
sen θ
SOLUCIÓN:
Es una parábola con foco el polo y recta directriz y = 6 (paralela y arriba del eje polar).
Cóncava hacia abajo.
91

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Ejemplo 4
6
Graficar r =
1−
sen θ
SOLUCIÓN:
Es una parábola con foco el polo y recta directriz y = −6
(paralela y abajo del eje polar).
Cóncava hacia arriba.
Ejemplo 5
6
Graficar r =
1+
1 cosθ
2
SOLUCIÓN:
En este caso " e = 1 " (el coeficiente del coseno), por tanto tenemos una elipse con un foco el
2
polo y el otro foco a su izquierda en el eje polar.
NOTA: La ecuación de esta cónica pudo haber sido dada de la siguiente forma también:
12
r = ¿Por qué?
2 + cosθ

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Ejemplo 6
6
Graficar r =
1−
1 cosθ
2
SOLUCIÓN:
Es una elipse con un foco el polo y el otro a su derecha en el eje polar.
Ejemplo 7
6
Graficar r =
1+
1 sen θ
2
SOLUCIÓN:
Es una elipse con un foco el polo y el otro en el eje π hacia abajo.
2
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Ejemplo 8
6
Graficar r =
1−
1 sen θ
2
SOLUCIÓN:
Es una elipse con un foco el polo y el otro en el eje π hacia arriba.
2
Ejemplo 9
6
Graficar r =
1+
2cosθ
SOLUCIÓN:
En este caso " e = 2 " (el coeficiente del coseno), por tanto tenemos una hipérbola con un foco el
polo y el otro foco a su derecha en el eje polar.

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Ejemplo 10
6
Graficar r =
1−
2cosθ
SOLUCIÓN:
Es una hipérbola con un foco el polo y el otro foco a su izquierda en el eje polar.
Ejemplo 11
6
Graficar r =
1 + 2sen
θ
SOLUCIÓN:
Es una hipérbola con un foco el polo y el otro foco en el eje π hacia arriba.
2
95

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Ejemplo 12
6
Graficar r =
1 − 2sen
θ
SOLUCIÓN:
Es una hipérbola con un foco el polo y el otro foco en el eje π hacia abajo.
2
4.3.4 CARACOLES
Los caracoles tienen ecuación polar de la forma: r = a ± b cosθ
o de
la forma r = a ± b sen θ
Consideremos tres casos:
1. Si a = b se llama CARDIOIDES
Ejemplo 1
Graficar r = 6 + 6 cos θ
Esta gráfica presenta simetría al eje polar, es decir: f
( θ) = f ( −θ)

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Ejemplo 2
Graficar r = 6 − 6 cos θ
Ejemplo 3
Graficar r = 6 + 6 sen θ
Ejemplo 4
Graficar r
= 6 − 6 sen θ
97

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2. Si a > b se llaman LIMACON O CARACOL SIN RIZO
Ejemplo 1
Graficar r = 6 + 3cos
θ
Ejemplo 2
Graficar r = 6 − 3cos
θ
Ejemplo 3
Graficar r = 6 + 3sen
θ
π
Esta gráfica presenta simetría al eje , es decir: f
( π − θ)
= f ( θ)
2

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Ejemplo 4
Graficar r = 6 − 3 sen θ
3. Si a < b se llaman LIMACON O CARACOL CON RIZO
Ejemplo 1
Graficar r = 3 + 6 cos θ
Nota: Determine los ángulos de formación del rizo.
Ejemplo 2
Graficar r
= 3 − 6 cos θ
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100
Ejemplo 3
Graficar r = 3 + 6senθ
Ejemplo 4
Graficar r = 3 − 6 sen θ
4.3.5 ROSAS
Estos lugares geométricos tienen ecuación polar de la forma
r = a cos ( nθ)
o r = a sen ( nθ)
para n > 1 ∧ n ∈ N
De aquí consideramos dos casos:
1. Si n es PAR es una rosa de 2 n petálos

Moisés Villena Muñoz Coordenadas Polares
Ejemplo
Graficar
r = 4 sen ( 2θ)
SOLUCIÓN:
Por inspección concluimos que es una rosa de 4 pétalos
2. Si n es IMPAR es una rosa de n petálos
Ejemplo
Graficar r = 4 cos ( 3θ)
SOLUCIÓN:
Por inspección concluimos que es una rosa de 3 pétalos
101

Moisés Villena Muñoz Coordenadas Polares
102
r
2
4.3.6 LEMNISCATAS
2
Tienen ecuación polar de la forma r = a cos 2θ
o de la forma
= a sen 2θ
Ejemplo 1
Graficar
2
r
Ejemplo 2
= 4 cos 2θ
Graficar r
2
= −4
cos 2θ

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Ejemplo 3
Graficar
2
r
= 4 sen 2θ
4.3.7 ESPIRALES
Consideramos dos tipos:
4.3.7.1 Espiral de Arquímedes.
Su ecuación polar es de la forma r = aθ
Ejemplo
Graficar r
= 2θ
103

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104
4.3.7.2 Espiral de Logarítmica.
Su ecuación polar es de la forma
Ejemplo
Graficar r = 2e
3θ
r = ae
Ejercicios propuestos 4.3
1. Trace la gráfica representada por la ecuación polar dada.
1. r = 5
11. r = 2 − 4 sen θ ; 0 ≤ θ ≤ π
2.
π
θ =
4
12.
13.
r = 3( 1−
cos( θ))
r = 2 + 4sen(
θ)
3. r = 2sen( θ)
14. r − 2 + 5sen(
θ)
= 0
4. r = −cos(θ)
15. r = sen( 3θ)
5. r = −3cos(
θ)
16. r = sen( 5θ)
6.
7.
8.
9.
10.
2
r =
1−
sen( θ)
2
r =
2 − sen( θ)
2
r =
1−
2sen(
θ)
r = 1− 2cos(
θ)
r = 3 + 2sen(
θ)
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
r = 2cos( 4θ)
2
r = 4cos(
2θ)
2
r = 3sen(
2θ)
r = −6cos(
3θ)
r = −4
sen 3θ
r = θ,
θ > 0
r = sen( θ)
+ cos( θ)
sen( θ ) + cos( θ)
= 0
⎧r
= 3cos
θ
2. Graficar en un mismo plano ⎨
y determine los puntos de intersección.
⎩r
= 1 + cos θ
3. Graficar en un mismo plano
⎪⎧
r = 3senθ
⎨
y determine los puntos de intersección.
⎪⎩ r = 1 + cos θ
bθ
4. Graficar en un mismo plano
⎪⎧
2
r = −8
cos 2θ
⎨
y determine los puntos de intersección.
⎪⎩ r = 2
5.
⎧ 3
Graficar en un mismo plano ⎪r
=
⎨ 2 + senθ
y determine los puntos de intersección.
⎪
⎩r
= 4 + 4senθ
r = 4cos
2θ
y exterior a r = 2
6. Represente en el plano polar la región comprendida en el interior de ( )
7. Sea p( r θ )
⎧r
≤ 2sen3θ , : ⎨ , determine Ap( r, θ
)
⎩r
≥ 1