donde ∥⋅∥ es la norma euclídea. La función longitud de arco basada en t0 es s(t)=∫t0t∥γ′(u)∥du.
Ejemplos
Ejemplo 18.8(Arquímedes y los polígonos inscritos)
Para la circunferencia unidad, el n-ágono regular inscrito tiene longitudLn=2nsinnπ, y el desarrollo sinx=x−6x3+O(x5) da
Ln=2π−3n2π3+O(n41):
las longitudes poligonales del Teorema 18.7 convergen cuadráticamente. Numéricamente: L6=6 (el hexágono, que da el burdo π>3), mientras que L96=192sin96π≈6.28206 frente a 2π≈6.28319; el error 0.00113 concuerda con el π3/(3⋅962)≈0.00112 previsto. Por eso Arquímedes, duplicando el hexágono cinco veces hasta 96 lados, pudo acotar π 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), ∥γ′∥=R, luego s=Rt y la longitud de una vuelta completa es 2πR. Para la hélice γ(t)=(acost,asint,bt) con a>0, ∥γ′(t)∥=a2+b2 es constante: la hélice se recorre a rapidez constante, y s=ta2+b2.
Ejemplo 18.12(Longitud de arco en coordenadas polares)
Una curva polar r=r(θ) es el arco γ(θ)=(rcosθ,rsinθ), con
γ′(θ)=(r′cosθ−rsinθ,r′sinθ+rcosθ),∥γ′(θ)∥2=r′2+r2
(los términos cruzados se cancelan): el elemento polar de longitud es r2+r′2dθ. Para la cardioide r=1+cosθ:
r2+r′2=(1+cosθ)2+sin2θ=2+2cosθ=4cos22θ,
y sobre [−π,π] el coseno del ángulo mitad es no negativo, así que
L=∫−ππ2cos2θdθ=[4sin2θ]−ππ=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 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.