Tuesday, January 24, 2023

Transformaciones de Coordenadas Polares a Coordenadas Rectangulares: Ejemplos

Las coordenadas polares son un sistema de coordenadas bidimensional en el que la posición de un punto viene determinada por la longitud y el ángulo del vector que une el origen con el punto. Este sistema de coordenadas se utiliza mucho en física e ingeniería, ya que permite representar fácilmente curvas y ecuaciones sencillas.

 

Además, las coordenadas polares son muy útiles en navegación y astronomía, ya que el ángulo del vector puede utilizarse para determinar tanto direcciones como distancias. Las coordenadas polares también pueden utilizarse en aplicaciones SIG para identificar y diferenciar áreas. En resumen, las coordenadas polares son una herramienta potente y versátil para representar y medir con precisión posiciones en un espacio bidimensional.

Qué son las coordenadas polares y por qué son importantes?

Las coordenadas polares son un tipo de sistema de coordenadas utilizado para describir ubicaciones en un plano bidimensional. Las dos coordenadas suelen representarse como un ángulo, normalmente medido en grados, y una distancia desde el origen. Las coordenadas polares son importantes porque permiten medir distancias más complejas que las coordenadas cartesianas, que miden distancias lineales. Las coordenadas polares también se utilizan para describir formas complejas, así como en aplicaciones de ingeniería y navegación. También son útiles para describir curvas, así como en modelos físicos y matemáticos. Las coordenadas polares también son útiles en gráficos por ordenador, ya que pueden utilizarse para representar puntos en una pantalla.



Cómo se originaron las coordenadas polares?

Hay veces en que las ecuaciones producidas utilizando coordenadas cartesianas son realmente difíciles de entender. Por ello, se buscaron más correspondencias entre geometría y álgebra, así como entre puntos y números. Como resultado, Newton proporcionó hasta ocho tipos diferentes de sistemas de coordenadas en su obra Método de las Fluxiones en el año 1671. Se cree que Newton inventó las coordenadas polares, ya que en su publicación se llamaban la "séptima vía". Aunque debe mencionarse que Jacques Bernouillli fué quien tenía la prioridad de publicar el sistema.



Coordenadas Polares, Gráficas y Fórmulas

coordenadas polares


Para identificar cuándo estamos frente a la fórmula de una lemniscata, rosa, limazón con rizo y mas, debemos tener bien claro su gráfica, de manera que podamos determinar la simetría ópticamente. Otro beneficio de las gráficas es saber hacia que eje se mueven y cómo serían sus tangentes en el polo. Por otra parte para el estudio de las coordenadas existen ciertas identidades trigonométricas que son esenciales como herramienta para su desarrollo.

He aquí un resumen tomado del Autor Jorge Saenz, en formato pdf con todas las fórmulas de coordenadas polares, las identidades trigonométricas mas utilizadas en este tema y sus gráficas.



Deben hacerle una correción, en la parte de simetrías, los nombres de las gráficas están inversos, el de simetría con respecto al polo corresponde a simetría con pi/2 y viceversa, seguro fue un error de transcripción (son imágenes escaneadas directamente del libro de jorge saenz) así que disculpenme las molestias!





Cómo trasformar las coordenadas polares a coordenadas cartesianas?

Las coordenadas polares pueden convertirse en coordenadas cartesianas mediante una sencilla fórmula que utiliza la trigonometría. En concreto, la coordenada x es igual al radio polar multiplicado por el coseno del ángulo, y la coordenada y es igual al radio polar multiplicado por el seno del ángulo. Esta conversión puede utilizarse para hallar las coordenadas de un punto en el plano si se dan sus coordenadas polares. Trazando la coordenada x frente a la coordenada y, la curva resultante representa la relación entre los dos sistemas de coordenadas.





Transformar coordenadas polares a coordenadas rectangulares, es sencillo, siempre que sepamos de memoria las fórmulas y tengamos destreza en cuanto a métodos de factorización, completación de cuadrados y binomio cuadrado perfecto. El método que vamos a practicar es utilizado en física y trigonometría. He aquí las fórmulas para poder comenzar a desarrollar varios ejemplos:







  • El primer ejemplo consta de la transformación de coordenadas polares a coordenadas rectangulares: observamos primero cuáles elementos poseemos para poder transformar; recordar que cuando se cambia una fórmula, todas las demás deben cambiar también. El r cuadrado lo cambiamos por x y y cuadrados, los mantenemos en paréntesis para efectos de signos; en este ejemplo no se distribuye ningún signo, pero en futuras ocasiones si se dará el caso. Asimismo trabajamos a cos y sen. El término independiente, siempre se mantiene igual. Ahora con la finalidad de completar cuadrados agrupamos los términos semejantes, las x en un paréntesis al igual que las y. El término independiente lo pasamos al otro lado de la desigualdad. Completamos cuadrados y tenemos la fórmula de la circunferencia.


transformación de coordenadas polares


Es bueno, recordar las fórmulas de la circunferencias, elipses, hipérbolas, rectas, de manera que podamos identificar los resultados con facilidad, además, existen casos en donde requieren que se expresen los elementos de la curva encontrada.

  • El segundo ejemplo es una hipérbola y se busca transformar coordenadas rectangulares a coordenadas polares: vemos que en la ecuación dada se requiere que tanto x cuadrada como y cuadrada tengan el mismo coeficiente, en este caso que ambos, sean igual a 9. Para ello sumamos en ambos miembros 4x cuadradas. Sacamos factor común de manera que ya tenemos a r cuadrado implícito. En el otro miembro tenemos un binomio cuadrado perfecto. Ahora si, podemos hacer el cambio correspondiente con las fórmulas. Como el objetivo es que la r no esté elevada al cuadrado aplicamos raíz en ambos miembros, esto nos obliga a evaluar con ambos signos, tanto el lado positivo como el negativo, obteniendo dos ecuaciones para la primera dada.


coordenadas rectangulares


Observese el mismo comportamiento con esta otra hipérbola:

hipérbola


  • El siguiente ejemplo es una muestra de la omisión de los signos positivos y negativos al quitar la raíz, a pesar de que el ejercicio está técnicamente bien realizado, es necesario hacer la evaluación con ambos signos. También pueden notar que se podía igualar a cero y así evitamos la presencia de una raíz y la necesidad de los signos.

    transformación de coordenadas polares


Por estar en presencia de una lemniscata tenemos que verificar que la ecuación obtenida contenga al polo, ya que de lo contrario no pertenece la ecuación a la curva. La evaluación se realiza en una tita conveniente; es decir, hacer la evaluación en una tita donde el valor resultante sea cero. De la siguiente manera:

lemniscata


Sabías que..? las aeronaves usan una versión ligeramente modificada de las coordenadas polares para la navegación.



Coordenadas Polares: Caracol con Rizo conjunto a Caracol con Hendidura + Gráfica

coordenadas polares caracol con rizo conjunto a caracol con hendidura


El estudio de coordenadas polares se torna interesante cuando se realiza el estudio de dos curvas interceptadas entre sí; la dificultad varía dependiendo a las gráficas tomadas para interceptar. En esta ocasión tomaremos un ejemplo sencillo, ya que el objetivo es describir paso a paso cómo se realiza el estudio de una curva.

caracol con rizo


Las presentes gráficas corresponden a:

r = 3 + 2 cos(t)

r = 2 - 4sen(t)

El estudio de cada gráfica se realiza en 7 pasos, y existe un paso en común que lo llamaremos paso 8. Este paso 8 se realiza una sola vez, mas adelante verán porqué. Vamos a describir los pasos:

Paso 1: identificar la curva: acá dividimos a entre b para saber a cuál curva pertenece la ecuación planteada.

Paso 2: Identificar los valores de tita para los cuales r está definida: esto se refiere al dominio (decimos dominio porque es un término conocido y sabemos como obtenerlo) de la gráfica. La lemniscata es la única gráfica donde buscar su dominio se realiza mediante cálculos; para las demás curvas r está definida para toda tita.

Paso 3: simetría: (de acuerdo a los lineamientos de su profesor) se puede realizar de dos maneras: gráficamente: es luego de haber realizado la gráfica observar su comportamiento ó mediante fórmulas. En los ejemplos acá propuestos todas las respuestas serán tomadas gráficamente.

Paso 4: identificar las intercepciones con los ejes y sus extensiones: es hacer tita = 0, pi, pi medio, 3 pi medio, los valores obtenidos son los puntos donde la gráfica intercepta a los ejes.

Paso 5: Verificar que el polo pertenece a la curva: se hace r = 0 y si obtenemos un valor que existe, entonces podemos afirmar que el polo pertenece a la curva. De lo contrario, decimos que el polo no pertenece a la curva. El caracol con hendidura es una muestra de que el polo no pertenece a la curva.

Paso 6: Tangentes en el polo: los valores obtenidos en el paso anterior los evaluamos en la derivada de la curva, si se obtiene un resultado diferente de cero, quiere decir que si son tangentes en el polo.

Paso 7: tabla de valores: es recopilar los valores para hacer la gráfica.

Hasta acá estos 7 pasos se le realiza a cada curva. Ahora el paso 8 se llama intercepción con la curva, por ello se realiza una única vez, ya que el resultado será el mismo. Realizamos un sistema para ver dónde las dos curvas se interceptan. Es posible que necesitemos realizar la regla de tres para saber los valores en grados.

Veamos el estudio realizado para la gráfica:

ejercicio de caracol con rizo


En el paso 1 hemos concluido que la curva es un limazón con rizo; es lo mismo que decir caracol con rizo.

En el paso 2 está mal redactado: se dice: identificar los valores de r para los cuales tita está definida.

Seguramente se preguntarán, porqué he dejado ese error; y aquí viene mi comentario: a menudo creen que los mejores estudiantes de cálculo saben todo y jamás se equivocan, por el contrario todo lo que se aprende es dado a los errores que cometemos en nuestros estudios, lo importante es "NO BORRAR" los errores que cometemos, puesto que solo así nos damos cuenta del patrón que estamos siguiendo y podemos superarlo. Si tenemos problemas en un ejercicio con los signos, remarca dónde te has equivocado y comienza de nuevo, de manera que al terminar puedas verificar si el error que cometías ya está superado. Al final del semestre, verás todos tus progresos y sentirás que has superado muchas mas pruebas de las que imaginabas. Igual puedes hacer comentarios cuando no te da un ejercicio, "se hace con esta fórmula", "aquí debería dar x", "se podía simplificar"; ya que estos comentarios son "razonamientos" y es básico para podernos defender ante cualquier ejercicio, por ello es esencial hacerlos con disciplina y constancia.

ejercicio caracol con rizo


En este paso he cometido un error muy común entre los estudiantes: la conclusión. He concluido que tita es el resultado de la derivada evaluada en pi sexto y en cinco pi sexto, lo cual es errado, la verdadera conclusión es que pi sexto y cinco pi sexto son los valores de tita los cuales son tangentes en el polo. Evidentemente en la tabla de valores se deben eliminar.

ejercicio caracol con rizo


Hemos interceptado las dos curvas y observamos que el valor 39,48º no es intercepción en la gráfica, por lo tanto solo 166,35º es un valor real, ¿por qué sucede? esto pasa porque en las operaciones hemos elevado al cuadrado y hace que tengamos dos alternativas. Está en nosotros decir cuál es la que hemos tomado. Por otra parte, verán que en el cuarto cuadrante no está el valor de dicha intercepción; este se obtiene con la siguiente fórmula: 2pi - tita. En este caso, tomamos tita = 166pi/180 y realizamos la operación, verán que así obtendrán el valor faltante.

El estudio de la otra curva lo dejo para que puedan practicar!





Lo que no te dijeron sobre Coordenadas Polares

coordenadas polares


Sin querer en momentos los profesores por querer dar lo mejor de sí mismos olvidan, que la mejor herramienta para enseñar es hablar en términos elementales y gradualmente introducir los términos matemáticos, de manera que el estudiante generalice las técnicas, las apropie y luego, las domine como un ingeniero. El proceso del aprendizaje matemático es complejo, por ello se requiere que los profesores hablen desde lo cotidiano a lo profesional.

Inspirada en mi profesora, que olvidó decirnos ciertos datos básicos pero muy importantes para el dominio de las coordenadas polares. Empecemos:

Respecto a las transformaciones de coordenadas polares a coordenadas rectángulares: "las curvas no cambian, cambia es la ecuación" al coincidir los dos sistemas estamos siempre hablando de la misma curva. Lo que es una circunferencia, lo será en ambas coordenadas y así, con todas las curvas. Sí nos dan una curva y no la identificamos a simple vista, tenemos como herramienta el cambio de coordenadas para saber qué tipo de curva estamos estudiando.

Por otra parte, si tenemos una curva escrita en forma polar y el objetivo es llevarla a la forma rectangular, en ocasiones será conveniente dos cosas: simplificar la ecuación (ej. una lemniscata con r al cuadrado, pasar la raíz y dejar a r sola.) y tener siempre las fórmulas en mente, de manera que la transformación sea como un juego cuyas piezas encajan perfectamente.

Una curiosidad: si tenemos una circunferencia ejemplo: r = 2sen(t) y le damos valores al tercer y cuarto cuadrante ¿qué piensan que puede ocurrir? pues se le da la vuelta nuevamente a la circunferencia, puesto que los valores negativos se grafican en la extensión del ángulo, por lo que no influye gráficamente si buscamos valores fuera del dominio de la curva.

Sobre las curvas conocidas: la principal diferencia entre una recta y una circunferencia es que la constante de la circunferencia la contiene r y en la recta la constante la contiene tita. Entre una lemniscata y una rosa: la r de la lemniscata está elevada al cuadrado y la de la rosa no. En la fórmula de la rosa encontramos a r = sen(nt) si n es impar tiene n pétalos, pero si n es par tiene 2n pétalos (ambas condiciones aplican para el coseno).

Con respecto al estudio de la leimniscata, la parte mas fuerte es encontrar su dominio. Se debe observar entre cuáles valores se mueve el seno o coseno y sí el ángulo está multiplicado sumarle los dos pi por cada vuelta, dividir entre el ángulo con el método de la doble c.

En cuánto a las tangentes: su procedimiento es: 1) hacer r igual 0, 2)despejar tita, 3) sustituir el valor de tita en r prima (es decir derivar r) 4) si r prima de tita es igual a cero, tita no es tangente en el polo. Para que tita sea una tangente en el polo debe ser distinta de cero. Existirán casos donde la derivada no existe para la tita tomada, allí se dice que el criterio no se puede aplicar; no se afirma o niega la existencia de la tangente. De igual manera cuando el resultado es infinito. Los cardioides no tienen tangentes.

Tangentes en el polo quiere decir que pasan por el polo pero jamás cortan la curva; por eso no existen en un limazón convexo. En el cardioide no existen porque su forma es muy ceñida. Las tangentes toman la función similar a las de las asíntotas (una forma de entenderlo).



Cómo se utilizan las coordenadas polares en matemáticas, ingeniería y otras disciplinas?

Las coordenadas polares se utilizan ampliamente en distintas disciplinas para representar medidas espaciales complejas en un sistema bidimensional. En matemáticas, las coordenadas polares se utilizan para representar números complejos y calcular la distancia entre dos puntos. En ingeniería, las coordenadas polares se utilizan para construir modelos matemáticos de objetos bidimensionales y para definir condiciones en el diseño de componentes mecánicos y eléctricos. Las coordenadas polares también se utilizan en física para describir el movimiento de partículas en dos dimensiones. En astronomía, las coordenadas polares se utilizan para describir las posiciones de estrellas y planetas en el cielo. Por último, otras disciplinas como la geografía, la meteorología y la navegación utilizan coordenadas polares para representar la ubicación de objetos en la Tierra y otros cuerpos celestes.



Cuáles son las ventajas y desventajas de utilizar coordenadas polares?

Las coordenadas polares ofrecen una alternativa útil a las coordenadas cartesianas para determinados tipos de problemas. Desde el punto de vista de la navegación, las coordenadas polares son excelentes para localizar rápidamente un destino. Por otro lado, utilizar coordenadas polares para determinar el área de ciertas formas puede ser más difícil que hacerlo con coordenadas cartesianas. Las coordenadas polares también complican el trazado de ecuaciones, ya que hay que convertir la forma de la ecuación de cartesiana a polar para poder trazarla. A pesar de su complejidad, las coordenadas polares pueden ser beneficiosas cuando se utilizan en la situación adecuada.





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