Matemáticas · Glosario

¿Qué es Longitud de arco?

También llamado: función longitud de arco

Definición 18.6 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 18 — Curvas

Sea γ ⁣:[a,b]Rn\gamma \colon [a, b] \to \R^n un arco C1\mathcal{C}^1. Su longitud es

L(γ)=abγ(t) ⁣dt,L(\gamma) = \int_a^b \norm{\gamma'(t)}\, \dd t ,

donde \norm{\cdot} es la norma euclídea. La función longitud de arco basada en t0t_0 es s(t)=t0tγ(u) ⁣dus(t) = \int_{t_0}^t \norm{\gamma'(u)}\,\dd u.

Ejemplos

Ejemplo 18.8 (Arquímedes y los polígonos inscritos)

Para la circunferencia unidad, el nn-ágono regular inscrito tiene longitud Ln=2nsinπnL_n = 2n\sin\frac\pi n, y el desarrollo sinx=xx36+O(x5)\sin x = x - \frac{x^3}6 + O(x^5) da

Ln=2ππ33n2+O(1n4):L_n = 2\pi - \frac{\pi^3}{3n^2} + O\Bigl(\frac1{n^4}\Bigr) :

las longitudes poligonales del Teorema 18.7 convergen cuadráticamente. Numéricamente: L6=6L_6 = 6 (el hexágono, que da el burdo π>3\pi > 3), mientras que L96=192sinπ966.28206L_{96} = 192\sin\frac{\pi}{96} \approx 6.28206 frente a 2π6.283192\pi \approx 6.28319; el error 0.001130.00113 concuerda con el π3/(3962)0.00112\pi^3/(3\cdot96^2) \approx 0.00112 previsto. Por eso Arquímedes, duplicando el hexágono cinco veces hasta 9696 lados, pudo acotar π\pi con tres cifras a mano: cada duplicación divide el error entre cuatro. El supremo de la caracterización poligonal no solo se alcanza en el límite; se alcanza deprisa, porque una curva regular se separa de sus cuerdas solo a segundo orden.

Ejemplo 18.11 (Circunferencia y hélice)

Para la circunferencia γ(t)=(Rcost,Rsint)\gamma(t) = (R\cos t, R\sin t), γ=R\norm{\gamma'} = R, luego s=Rts = Rt y la longitud de una vuelta completa es 2πR2\pi R. Para la hélice γ(t)=(acost, asint, bt)\gamma(t) = (a\cos t,\ a\sin t,\ bt) con a>0a > 0, γ(t)=a2+b2\norm{\gamma'(t)} = \sqrt{a^2 + b^2} es constante: la hélice se recorre a rapidez constante, y s=ta2+b2s = t\sqrt{a^2 + b^2}.

Ejemplo 18.12 (Longitud de arco en coordenadas polares)

Una curva polar r=r(θ)r = r(\theta) es el arco γ(θ)=(rcosθ, rsinθ)\gamma(\theta) = (r\cos\theta,\ r\sin\theta), con

γ(θ)=(rcosθrsinθ, rsinθ+rcosθ),γ(θ)2=r2+r2\gamma'(\theta) = (r'\cos\theta - r\sin\theta,\ r'\sin\theta + r\cos\theta), \qquad \norm{\gamma'(\theta)}^2 = r'^2 + r^2

(los términos cruzados se cancelan): el elemento polar de longitud es r2+r2 ⁣dθ\sqrt{r^2 + r'^2}\,\dd\theta. Para la cardioide r=1+cosθr = 1 + \cos\theta:

r2+r2=(1+cosθ)2+sin2θ=2+2cosθ=4cos2θ2,r^2 + r'^2 = (1 + \cos\theta)^2 + \sin^2\theta = 2 + 2\cos\theta = 4\cos^2\tfrac\theta2,

y sobre [π,π]\intcc{-\pi}{\pi} el coseno del ángulo mitad es no negativo, así que

L=ππ2cosθ2 ⁣dθ=[4sinθ2]ππ=4(4)=8:L = \int_{-\pi}^{\pi}2\cos\tfrac\theta2\,\dd\theta = \Bigl[4\sin\tfrac\theta2\Bigr]_{-\pi}^{\pi} = 4 - (-4) = 8 :

como el arco de cicloide del Ejercicio 18.1, una curva construida a partir de circunferencias tiene longitud racional, sin ningún π\pi por ninguna parte. La factorización con el ángulo mitad es el truco estándar para las longitudes de curvas generadas por circunferencias; cuando falla (la elipse), la longitud es una función genuinamente nueva: una integral elíptica, más allá de las formas cerradas elementales.

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