8.4 8.4.3 Longitud de un arco de curva

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ci-8-4-3 8.4.3 Longitud de un arco de curva

El proceso de determinar la longitud de un segmento curvo regular continuo se denomina clásicamente "rectificación" de la curva.

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Deducción Geométrica del Elemento de Línea (Teorema de Pitágoras Infinitesimal)

Consideremos una curva suave definida en el plano cartesiano.

Al tomar dos puntos infinitamente próximos \( (x, y) \) y \( (x + dx, y + dy) \), la hipotenusa del triángulo rectángulo infinitesimal formado por los incrementos rectangulares \( dx \) y \( dy \) proporciona la longitud del arco diferencial \( ds \):

$$ ds^2 = dx^2 + dy^2 \implies ds = \sqrt{dx^2 + dy^2} $$
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Curvas en Forma Cartesiana Explícita

Si la curva viene dada por la ecuación explícita \( y = f(x) \) en el intervalo cerrado \( [a, b] \), donde \( f'(x) \) es continua, factorizamos \( dx \) fuera de la raíz:

$$ ds = \sqrt{dx^2 + \left( \frac{dy}{dx} dx \right)^2} = \sqrt{1 + [f'(x)]^2} \, dx $$

Integrando a lo largo del intervalo obtenemos la longitud total de arco:

$$ L = \int_a^b \sqrt{1 + [f'(x)]^2} \, dx $$

De forma idéntica, si la curva viene dada por \( x = g(y) \) en \( [c, d] \):

$$ L = \int_c^d \sqrt{1 + [g'(y)]^2} \, dy $$
📝 Ejemplo: elemental de rectificación: Longitud del segmento rectilíneo \( y = 2x \) en \( [0, 3] \)

Como $$ f'(x) = 2 \implies 1 + [f'(x)]^2 = 1 + 2^2 = 5 $$:

$$ L = \int_0^3 \sqrt{5} \, dx = [\sqrt{5}x]_0^3 = 3\sqrt{5} $$

lo cual coincide exactamente con la hipotenusa de catetos 3 y 6 ($$ \sqrt{3^2 + 6^2} = \sqrt{9 + 36} = \sqrt{45} = 3\sqrt{5} $$).

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Curvas en Forma Paramétrica

Si la trayectoria suave viene descrita por las funciones paramétricas continuas \( x = x(t) \), \( y = y(t) \) para el parámetro \( t \in [t_1, t_2] \):

$$ ds = \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt \implies L = \int_{t_1}^{t_2} \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt $$
📝 Ejemplo: en paramétricas: Circunferencia de radio \( R \): \( x = R\cos t, y = R\sin t \) para \( t \in [0, 2\pi] \)
$$ x'(t) = -R\sin t, \quad y'(t) = R\cos t \implies \sqrt{(-R\sin t)^2 + (R\cos t)^2} = \sqrt{R^2(\sin^2 t + \cos^2 t)} = R $$
$$ L = \int_0^{2\pi} R \, dt = [Rt]_0^{2\pi} = 2\pi R $$
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Curvas en Coordenadas Polares

Si la curva se define mediante la ecuación polar \( r = r(\theta) \) para el ángulo polar \( \theta \in [\alpha, \beta] \):

$$ L = \int_\alpha^\beta \sqrt{[r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2} \, d\theta $$

A continuación resolvemos cinco problemas prácticos avanzados con desglose minucioso:

📝 Ejemplo 1 Calcular la longitud del arco de la catenaria (curva de suspensión de cables) descrita por:
$$ y = a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \quad (a > 0) \quad \text{en el intervalo } [-a, a] $$
👉 PASO 1

Calculamos la primera derivada ordinaria de la función respecto a \( x \):

$$ y' = \frac{d}{dx}\left[ a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \right] = a \left( \frac{1}{a}\sinh\left(\frac{x}{a}\right) \right) = \sinh\left(\frac{x}{a}\right) $$
👉 PASO 2

Construimos el radicando de la fórmula de longitud de arco:

$$ 1 + (y')^2 = 1 + \sinh^2\left(\frac{x}{a}\right) $$

Utilizamos la identidad hiperbólica fundamental $$ \cosh^2 u - \sinh^2 u = 1 \implies 1 + \sinh^2 u = \cosh^2 u $$:

$$ 1 + (y')^2 = \cosh^2\left(\frac{x}{a}\right) $$
👉 PASO 3

Tomamos la raíz cuadrada (recordando que el coseno hiperbólico es estrictamente positivo en todo \( \mathbb{R} \)):

$$ ds = \sqrt{1 + (y')^2} \, dx = \sqrt{\cosh^2\left(\frac{x}{a}\right)} \, dx = \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \, dx $$
👉 PASO 4

Planteamos la integral definida y aprovechamos la paridad de la función:

$$ L = \int_{-a}^a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \, dx = 2 \int_0^a \cosh\left(\frac{x}{a}\right) \, dx $$
👉 PASO 5

Integramos y evaluamos mediante la Regla de Barrow:

$$ L = 2 \left[ a \sinh\left(\frac{x}{a}\right) \right]_0^a = 2a \left( \sinh\left(\frac{a}{a}\right) - \sinh(0) \right) = 2a (\sinh(1) - 0) = 2a \sinh(1) $$

Expresando el seno hiperbólico en exponenciales (\( \sinh(1) = \frac{e - e^{-1}}{2} \)):

$$ L = 2a \left( \frac{e - e^{-1}}{2} \right) = a \left( e - \frac{1}{e} \right) = a \frac{e^2 - 1}{e} $$
✅ Conclusión

La longitud exacta de la catenaria es \( 2a\sinh(1) = a\left(e - \frac{1}{e}\right) \)

📝 Ejemplo 2 Calcular el perímetro total de la astroide (hipocicloide de cuatro cúspides) parametrizada por:
$$ x(t) = a \cos^3 t, \quad y(t) = a \sin^3 t \quad (a > 0, t \in [0, 2\pi]) $$
👉 PASO 1

Por la cuádruple simetría respecto a los ejes de coordenadas, el perímetro total \( L \) es 4 veces la longitud del arco del primer cuadrante (\( t \in [0, \pi/2] \)):

$$ L = 4 \int_0^{\pi/2} \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} \, dt $$
👉 PASO 2

Calculamos las derivadas de las ecuaciones paramétricas:

- $$ x'(t) = 3a \cos^2 t (-\sin t) = -3a \cos^2 t \sin t $$

- $$ y'(t) = 3a \sin^2 t (\cos t) = 3a \sin^2 t \cos t $$

👉 PASO 3

Elevamos al cuadrado y sumamos ambos términos:

$$ [x'(t)]^2 + [y'(t)]^2 = 9a^2 \cos^4 t \sin^2 t + 9a^2 \sin^4 t \cos^2 t $$

Extraemos factor común \( 9a^2 \sin^2 t \cos^2 t \):

$$ = 9a^2 \sin^2 t \cos^2 t (\cos^2 t + \sin^2 t) = 9a^2 \sin^2 t \cos^2 t (1) = 9a^2 \sin^2 t \cos^2 t $$
👉 PASO 4

Extraemos la raíz cuadrada para \( t \in [0, \pi/2] \) donde seno y coseno son positivos:

$$ \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} = 3a \sin t \cos t $$
👉 PASO 5

Integramos en el cuadrante y multiplicamos por 4:

$$ L = 4 \int_0^{\pi/2} 3a \sin t \cos t \, dt = 12a \int_0^{\pi/2} \sin t \cos t \, dt $$

Como $$ \int \sin t \cos t \, dt = \left[ \frac{\sin^2 t}{2} \right]_0^{\pi/2} = \frac{1^2}{2} - 0 = \frac{1}{2} $$:

$$ L = 12a \left( \frac{1}{2} \right) = 6a $$
✅ Conclusión

El perímetro completo de la astroide es exactamente \( 6a \)

📝 Ejemplo 3 Calcular la longitud de arco de la curva logarítmica-trigonométrica:
$$ y = \ln(\sec x) \quad \text{en el intervalo } \left[ 0, \frac{\pi}{3} \right] $$
👉 PASO 1

Derivamos la función \( y = f(x) \):

$$ y' = \frac{1}{\sec x} \cdot \frac{d}{dx}[\sec x] = \frac{1}{\sec x} (\sec x \tan x) = \tan x $$
👉 PASO 2

Construimos el elemento bajo el signo radical:

$$ 1 + (y')^2 = 1 + \tan^2 x = \sec^2 x $$
👉 PASO 3

Tomamos la raíz cuadrada en el intervalo \( [0, \pi/3] \) donde el coseno y la secante son estrictamente positivos:

$$ ds = \sqrt{\sec^2 x} \, dx = \sec x \, dx $$
👉 PASO 4

Integramos la función secante mediante su primitiva estándar:

$$ L = \int_0^{\pi/3} \sec x \, dx = \left[ \ln|\sec x + \tan x| \right]_0^{\pi/3} $$
👉 PASO 5

Evaluamos mediante Barrow en \( \frac{\pi}{3} \) y en 0:

- En \( x = \frac{\pi}{3} \):

$$ \sec\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{\cos(\pi/3)} = \frac{1}{1/2} = 2, \qquad \tan\left(\frac{\pi}{3}\right) = \sqrt{3} $$
$$ \ln|2 + \sqrt{3}| $$

- En \( x = 0 \):

$$ \sec(0) = 1, \qquad \tan(0) = 0 \implies \ln|1 + 0| = \ln 1 = 0 $$

Restamos:

$$ L = \ln(2 + \sqrt{3}) - 0 = \ln(2 + \sqrt{3}) \approx 1.3170 $$
✅ Conclusión

La longitud de la curva es exactamente \( \ln(2 + \sqrt{3}) \)

📝 Ejemplo 4 Calcular la longitud de arco de un arco completo de la cicloide estándar engendrada por una rueda de radio \( a \) que rueda sin deslizar:
$$ x(t) = a(t - \sin t), \quad y(t) = a(1 - \cos t) \quad (t \in [0, 2\pi]) $$
👉 PASO 1

Calculamos las derivadas de las ecuaciones paramétricas respecto a \( t \):

- \( x'(t) = a(1 - \cos t) \)

- \( y'(t) = a(\sin t) \)

👉 PASO 2

Sumamos sus cuadrados:

$$ [x'(t)]^2 + [y'(t)]^2 = a^2 (1 - \cos t)^2 + a^2 \sin^2 t = a^2 \left( 1 - 2\cos t + \cos^2 t + \sin^2 t \right) $$

Como \( \cos^2 t + \sin^2 t = 1 \):

$$ = a^2 (1 - 2\cos t + 1) = a^2 (2 - 2\cos t) = 2a^2 (1 - \cos t) $$
👉 PASO 3

Empleamos la identidad del semiángulo \( 1 - \cos t = 2\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) \):

$$ [x'(t)]^2 + [y'(t)]^2 = 2a^2 \cdot 2\sin^2\left(\frac{t}{2}\right) = 4a^2 \sin^2\left(\frac{t}{2}\right) $$
👉 PASO 4

Extraemos la raíz cuadrada teniendo en cuenta que para $$ t \in [0, 2\pi] \implies \frac{t}{2} \in [0, \pi] $$, donde el seno es no negativo:

$$ \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2} = 2a \sin\left(\frac{t}{2}\right) $$
👉 PASO 5

Integramos en el periodo completo \( [0, 2\pi] \):

$$ L = \int_0^{2\pi} 2a \sin\left(\frac{t}{2}\right) \, dt = 2a \left[ -2\cos\left(\frac{t}{2}\right) \right]_0^{2\pi} = -4a \left[ \cos\left(\frac{2\pi}{2}\right) - \cos(0) \right] $$
$$ L = -4a (\cos\pi - \cos 0) = -4a (-1 - 1) = -4a (-2) = 8a $$
✅ Conclusión

La longitud total de un arco de cicloide es exactamente \( 8a \), cuatro veces el diámetro de la rueda generatriz.

📝 Ejemplo 5 Calcular el perímetro de la curva cardioide en coordenadas polares:
$$ r(\theta) = a(1 + \cos\theta) \quad (a > 0, \theta \in [0, 2\pi]) $$
👉 PASO 1

Calculamos la derivada polar \( r'(\theta) \):

$$ r'(\theta) = \frac{d}{d\theta}[a(1 + \cos\theta)] = -a\sin\theta $$
👉 PASO 2

Construimos la expresión bajo el radical de longitud en polares \( [r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2 \):

$$ [r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2 = a^2 (1 + \cos\theta)^2 + a^2 (-\sin\theta)^2 = a^2 \left( 1 + 2\cos\theta + \cos^2\theta + \sin^2\theta \right) $$
$$ = a^2 (1 + 2\cos\theta + 1) = 2a^2 (1 + \cos\theta) $$
👉 PASO 3

Empleamos la identidad del ángulo mitad para el coseno $$ 1 + \cos\theta = 2\cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right) $$:

$$ [r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2 = 2a^2 \cdot 2\cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right) = 4a^2 \cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right) $$
👉 PASO 4

Por simetría de la cardioide respecto al eje polar horizontal, integramos de 0 a \( \pi \) y duplicamos el resultado:

$$ L = 2 \int_0^\pi \sqrt{4a^2 \cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right)} \, d\theta = 2 \int_0^\pi 2a \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) \, d\theta = 4a \int_0^\pi \cos\left(\frac{\theta}{2}\right) \, d\theta $$
👉 PASO 5

Integramos y evaluamos mediante Barrow:

$$ L = 4a \left[ 2\sin\left(\frac{\theta}{2}\right) \right]_0^\pi = 8a \left( \sin\left(\frac{\pi}{2}\right) - \sin(0) \right) = 8a (1 - 0) = 8a $$
✅ Conclusión

El perímetro completo de la cardioide polar es exactamente \( 8a \)