viernes, 21 de octubre de 2011

La cardioide

La cardioide es la curva plana que se obtiene mediante la trayectoria que describe un punto $\alpha (t)$ sobre una circunferencia que está rodando sin deslizarse de forma tangente sobre el exterior de una segunda circunferencia del mismo radio, siendo esta última fija. El nombre le viene de la forma de corazón que tiene la curva.
Sigue las instrucciones a continuación para describir una parametrización de la cardioide:
  1. Salvo aplicar una homotecia y una tralsación, podemos suponer que ambas circunferencias son de radio 1 y la que está fija está centrada en el origen. Llamaremos $C(t)=2e^{it}$ al centro de la circunferencia que está rodando y $Q(t)=e^{it}$ al punto de tangencia entre ambas circunferencias, $t\in [0,2\pi )$. Prueba que la longitud de la circunferencia que está rodando, desde el punto $Q(t)$ hasta $\alpha (t)$, es $t$.
  2. Deduce quel apartado 1 que el punto $\alpha (t)$ se obtiene aplicando un giro de ángulo $t$ al vector $Q(t)-C(t)$. Deduce de aquí que $\alpha (t)=2e^{it}-e^{2it}$, $t\in [0,2\pi )$.
  3. Demuestra que la longitud total de la cardioide es 16.
  4. ¿Es la cardioide una curva regular?
La cardioide es una de muchas curvas planas que fueron descubiertas y estudiadas en el siglo XVIII. Puedes leer más curiosidades sobre la misma aquí.



1 comentario:

  1. La curva que va girando sobre la otra tambien tiene radio uno. Podemos expresarla, si la llamamos A, por la siguiente parametrizacion:

    $A(t_0)=2e^{it_0}+e^{it}$

    Es inmediato que $||A'(t)||=1$ por lo tanto esta curva tambien esta parametrizada por el arco. La longitud entre dos instantes de tiempo es su diferencia. En el instante $t=0,\ Q(0)=\alpha(0)$
    Para cualquier otro instante $t$ la longitud entre $Q(t)\ y\ \alpha(t)$ es exactamente $t$

    Para el segundo apartado se usa que la ecuación de dicha circunferencia está ppa. Si la longitud entre dos puntos de la circunferencia es $t$ es porque son imágenes de dos puntos del intervalo $[0,2\pi)$ cuya diferencia vale $t$. Por lo tanto, el ángulo que forman los dos vectores de extremos $Q(t)\ y\ \alpha(t)$ y origen el punto $C(t)$ es $t$.
    Entonces el vector con extremo $\alpha(t)$ se consigue al girar un ángulo $t$ el vector con extremo $Q(t)$ (el sentido de giro es positivo)

    $Q(t)-C(t)=-e^{it}=-(cos(t), sen(t))$. Al girarlo un ángulo t, (multiplicamos por la matriz de giro ángulo $t\ cos(t)\ sen(t)\ -sen(t)\ cos(t))$

    nos queda el vector $-e^{2it}$

    Por lo tanto en cada instante de tiempo $t\ ,\ \alpha(t)=2e^{it}-e^{2it}$

    $\alpha'(t)=2i(e^{it}-e^{2it})=2i(cos(t)-cos(2t), sen(t)-sen(2t))$

    $||\alpha'(t)||=2\sqrt{ (cos(t)-cos(2t))^2+(sen(t)-sen(2t))^2}=2\sqrt{2-2cos(t)}$

    La integral del módulo entre 0 y $2\pi$ es exactamente 16

    Además, $\alpha'(t)=0\Leftrightarrow ||alpha'(t)||=0$ y esto sólo se da en el instante de tiempo $t=0$

    Por lo tanto la cardioide no es una curva regular

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