jueves, 2 de mayo de 2019

GEOMETRÍA ANALÍTICA - CURVAS


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Un cicloide generado por un círculo rodante.
Un cicloide es la curva trazada por un punto en el borde de una rueda circular cuando la rueda rueda a lo largo de una línea recta sin deslizarse. Un cicloide es una forma específica de trocoide y es un ejemplo de una ruleta , una curva generada por una curva que gira sobre otra curva.
El cicloide, con las cúspides apuntando hacia arriba, es la curva de descenso más rápido bajo gravedad constante , y también es la forma de una curva para la cual el período de un objeto en descenso en la curva no depende de la posición inicial del objeto .

Historia editar ]

Fue en el bote de prueba de la mano izquierda del Pequod, con la esteatita girando diligentemente a mi alrededor, que primero me sorprendió indirectamente el hecho notable, que en la geometría todos los cuerpos deslizándose a lo largo del cicloide, mi esteatita, por ejemplo, descenderá de Cualquier punto precisamente en el mismo tiempo.
Moby Dick por Herman Melville , 1851
El cicloide ha sido llamado "La Helena de los Geómetros", ya que causó frecuentes disputas entre los matemáticos del siglo XVII. [1]
Los historiadores de las matemáticas han propuesto varios candidatos para el descubridor del cicloide. El historiador matemático Paul Tannery citó un trabajo similar del filósofo sirio Iamblichus como evidencia de que la curva probablemente se conocía en la antigüedad. [2] El matemático inglés John Wallis que escribió en 1679 atribuyó el descubrimiento a Nicolás de Cusa , [3] pero los estudios posteriores indican que Wallis estaba equivocado o que la evidencia utilizada por Wallis ahora está perdida. [4] El nombre de Galileo Galilei se presentó a fines del siglo XIX [5] y al menos un autor informa que se otorgó crédito a Marin Mersenne .[6] Comenzando con el trabajo deMoritz Cantor [7] y Siegmund Günther , [8] los académicos ahora asignan prioridad al matemático francés Charles de Bovelles [9] [10] [11] basándose en su descripción del cicloide en su Introducción en geometriam , publicado en 1503. [12] En este trabajo, Bovelles confunde el arco trazado por una rueda rodante como parte de un círculo más grande con un radio 120% más grande que la rueda más pequeña. [4]
Galileo originó el término cicloide y fue el primero en realizar un estudio serio de la curva. [4] De acuerdo con su estudiante Evangelista Torricelli , [13] en 1599, Galileo intentó la cuadratura del cicloide (determinando el área debajo del cicloide) con un enfoque inusualmente empírico que involucraba trazar tanto el círculo generador como el cicloide resultante en la chapa metálica, Cortándolos y pesándolos. Descubrió que la proporción era aproximadamente de 3: 1, pero concluyó incorrectamente que la proporción era una fracción irracional, lo que habría hecho imposible la cuadratura. [6] Alrededor de 1628, Gilles Persone de Roberval probablemente se enteró del problema de cuadratura dePère Marin Mersenne y efectuó la cuadratura en 1634 utilizando el Teorema de Cavalieri . [4] Sin embargo, este trabajo no se publicó hasta 1693 (en su Traité des Indivisibles ). [14]
La construcción de la tangente del cicloide data de agosto de 1638, cuando Mersenne recibió métodos únicos de Roberval, Pierre de Fermat y René Descartes . Mersenne transmitió estos resultados a Galileo, quien se los dio a sus estudiantes Torricelli y Viviana, quienes pudieron producir una cuadratura. Este resultado y otros fueron publicados por Torricelli en 1644, [13] que es también el primer trabajo impreso en el cicloide. Esto llevó a Roberval a acusar a Torricelli de plagio, y la controversia fue interrumpida por la muerte temprana de Torricelli en 1647. [14]
En 1658, Blaise Pascal había abandonado las matemáticas por la teología pero, aunque sufría un dolor de muelas, comenzó a considerar varios problemas relacionados con el cicloide. Su dolor de muelas desapareció, y tomó esto como una señal celestial para continuar con su investigación. Ocho días después, había completado su ensayo y, para dar a conocer los resultados, propuso un concurso. Pascal propuso tres preguntas relacionadas con el centro de gravedad , el área y el volumen del cicloide, y el ganador o los ganadores recibirán premios de 20 y 40 doblones españoles Pascal, Roberval y el senador Carcavy fueron los jueces, y ninguna de las dos presentaciones (de John Wallis y Antoine de Lalouvère ) se consideró adecuada. [15] : 198 Mientras el concurso estaba en curso, Christopher Wren envió a Pascal una propuesta para una prueba de la rectificacióndel cicloide; Roberval afirmó rápidamente que había conocido la prueba durante años. Wallis publicó la prueba de Wren (que acredita a Wren) en Tractus Duo de Wallis , dando prioridad a Wren para la primera prueba publicada. [14]
Quince años después, Christiaan Huygens había desplegado el péndulo cicloidal para mejorar los cronómetros y había descubierto que una partícula atravesaría un segmento de un arco cicloidal invertido en la misma cantidad de tiempo, independientemente de su punto de partida. En 1686, Gottfried Wilhelm Leibniz utilizó la geometría analítica para describir la curva con una sola ecuación. En 1696, Johann Bernoulli planteó el problema de la braquistocrona , cuya solución es un cicloide. [14]

Ecuaciones editar ]

El cicloide a través del origen, con una base horizontal dada por la línea y  = 0, esta línea también se conoce como el eje x, generado por un círculo de radio r que gira sobre el lado "positivo" de la base ( y  ≥ 0 ), consiste en los puntos ( x , y ), con
donde t es un parámetro real , correspondiente al ángulo a través del cual ha girado el círculo rodante. Para tdada , el centro del círculo se encuentra en x = rt , y = r .
Resolviendo para t y reemplazando, se encuentra que la ecuación cartesiana es:
Una ecuación para el cicloide de la forma y = f ( x ) con una expresión de forma cerrada para el lado derecho no es posible. cita requerida ]
Cuando y se ve como una función de x , el cicloide es diferenciable en todas partes, excepto en las cúspides , donde golpea el eje x , con la derivada tendiendo hacia o Cuando uno se acerca a una cúspide. El mapa de t a ( x ,  y ) es una curva diferenciable curva paramétrica de la clase  y la singularidad donde la derivada es 0 es una cúspide ordinaria.
Un segmento cicloide de una cúspide a la siguiente se llama arco del cicloide. El primer arco del cicloide consiste en puntos tales que
El cicloide satisface la ecuación diferencial :
.

Evolutar editar ]

Generación de la evolución del cicloide desenvolviendo un cable tenso colocado en medio arco de cicloide (marcado en rojo)
La evolución del cicloide tiene la propiedad de ser exactamente el mismo cicloide del que se origina. De lo contrario, esto se puede ver desde la punta de un cable que se encuentra inicialmente en un medio arco de cicloide que describe un arco cicloide igual al que estaba sobre una vez desenvuelto (ver también péndulo cicloidal y longitud del arco ).

Demostración editar ]

Demostración de las propiedades de la evolución de un cicloide.
Hay varias manifestaciones de la afirmación. El que se presenta aquí utiliza la definición física de cicloide y la propiedad cinemática de que la velocidad instantánea de un punto es tangente a su trayectoria. Refiriéndose a la imagen adyacente, y Son dos puntos tangentes que pertenecen a dos círculos rodantes. Los dos círculos comienzan a rodar con la misma velocidad y la misma dirección sin patinar. y Empieza a dibujar dos arcos cicloides como en la imagen. Teniendo en cuenta la línea de conexión y en un instante arbitrario (línea roja), es posible probar que la línea está en cualquier momento tangente enal arco inferior y ortogonal a la tangente en del arco superior . Uno ve ese llamado El punto en común entre el círculo superior y el círculo inferior:
  •  están alineados porque  (igual velocidad de rodadura) y por lo tanto El punto se encuentra en la línea  por lo tanto  anuncio de manera análoga De la igualdad de y  uno tiene eso también Sigue .
  • Si  es el punto de encuentro entre el perpendicular desde  a la recta de  y la tangente al círculo en  , entonces el triangulo  es isósceles porque  y (Fácil de probar visto la construcción)Por la anterior igualdad señalada entre y entonces  y  es isósceles.
  • Conduciendo desde  el ortogonal directo a  , desde  La línea recta tangente al círculo superior y llamando.  El punto de encuentro ahora es fácil de ver que es un rombo , utilizando los teoremas relativos a los ángulos entre líneas paralelas
  • Ahora considera la velocidad  de Se puede ver como la suma de dos componentes, la velocidad de rodadura y la velocidad de deriva Ambas velocidades son iguales en módulo porque los círculos ruedan sin deslizarse. es paralelo a  y  es tangente al círculo inferior en  por lo tanto es paralelo a El rombo se constituye a partir de los componentes. y  Es por lo tanto similar (los mismos ángulos) al rombo. Porque tienen lados paralelos. La velocidad total de es entonces paralelo a  Porque ambas son diagonales de dos rombos con lados paralelos y tienen en común con  el punto de contacto De ello se deduce que el vector de velocidad se encuentra en la prolongación de Porque Es tangente al arco de cicloides en.  (propiedad de la velocidad de una trayectoria), se deduce que también  coincide con la tangente al arco cicloide inferior en .
  • Análogamente, se puede demostrar fácilmente que  es ortogonal a  (otra diagonal del rombo).
  • La punta de un cable inextensible inicialmente se estiró en medio arco de cicloide inferior y se limitó al círculo superior en luego seguirá el punto a lo largo de su recorrido sin cambiar su longitud porque la velocidad de la punta es ortogonal a cada momento del cable (sin estiramiento ni compresión). El alambre será al mismo tiempo tangente enAl arco inferior debido a la tensión y los elementos demostrados. Si no fuera tangente, habría una discontinuidad en y en consecuencia habría fuerzas de tensión desequilibradas.

Area editar ]

Un arco de un cicloide generado por un círculo de radio r puede ser parametrizado por
con 
Ya que
el área debajo del arco es
Este resultado, y algunas generalizaciones, se pueden obtener sin cálculo mediante el cálculo visual de Mamikon .

Longitud del arco editar ]

La longitud del cicloide como consecuencia de la propiedad de su evolución.
La longitud de arco S de un arco está dada por
Otra forma inmediata de calcular la longitud del cicloide dadas las propiedades de la evolución es observar que cuando un cable que describe una evolución ha sido completamente desenvuelto, se extiende a lo largo de dos diámetros, una longitud de 4r. Debido a que el cable no cambia la longitud durante el desenvolvimiento, se sigue que la longitud de la mitad de un arco de cicloide es 4r y un arco completo es 8r.

Péndulo cicloidal editar ]

Esquema de un péndulo cicloidal.
Si un péndulo simple se suspende de la cúspide de un cicloide invertido, de manera que la "cuerda" se restringe entre los arcos adyacentes del cicloide, y la longitud L del péndulo es igual a la de la mitad de la longitud del arco del cicloide (es decir, dos veces el diámetro del círculo generador, L = 4r ), la sacudida del péndulo también traza un camino cicloide. Tal péndulo cicloidal es isócrono , independientemente de la amplitud. Al introducir un sistema de coordenadas centrado en la posición de la cúspide, la ecuación de movimiento viene dada por:
dónde  es el ángulo de la parte recta de la cuerda con respecto al eje vertical, y está dado por
donde A <1 i=""> es la "amplitud",Es la frecuencia en radios del péndulo yg la aceleración gravitacional.
Cinco péndulas cicloidales isócronas con diferentes amplitudes.
El matemático holandés del siglo XVII Christiaan Huygens descubrió y demostró estas propiedades del cicloide mientras buscaba diseños de reloj de péndulo más precisos para usar en la navegación. [dieciséis]

Curvas relacionadas editar ]

Varias curvas están relacionadas con el cicloide.
  • Cicloide de Curtate : aquí el punto que traza la curva está dentro del círculo, que rueda en una línea.
  • Prolate cicloide : aquí el punto que traza la curva está fuera del círculo, que rueda en una línea.
  • Trocoide : se refiere a cualquiera de los cicloides, los cicloides curados y los cicloides prolatos.
  • Hipocicloide : el punto está en el borde del círculo, que no gira en una línea sino en el interior de otro círculo.
  • Epicicloide : el punto está en el borde del círculo, que no se desplaza en una línea sino en el exterior de otro círculo.
  • Hipotrocoide : como hipocicloide, pero el punto no tiene que estar en el borde de su círculo.
  • Epitrocoide : como epicicloide, pero el punto no tiene que estar en el borde de su círculo.
Todas estas curvas son ruletas con un círculo enrollado a lo largo de una curvatura uniforme El cicloide, los epicicloides y los hipocicloides tienen la propiedad de que cada uno es similar a su evolución . Si q es el productode esa curvatura con el radio del círculo, con signo positivo para epi y negativo para hipo, entonces la curva: relación de similitud evolutiva es 1 + 2 q .
El clásico juguete Spirograph traza curvas hipotrocoides y epitrocoides .
Algunos medios tubos utilizados para patinar son casi cicloides

Uso en arquitectura editar ]

Arcos cicloidales en el Museo de Arte Kimbell
El arquitecto Louis Kahn utilizó el arco cicloidal en su diseño del Museo de Arte Kimbell en Fort Worth, Texas . También se usó en el diseño del Centro Hopkins en Hanover, New Hampshire .

Uso en placa violín arqueando editar ]

Las primeras investigaciones indicaron que algunas curvas arqueadas transversales de las placas de los violines de la edad dorada están modeladas de cerca por curvas de cicloides de estado de estado. [17]Trabajos posteriores indican que los cicloides curados no sirven como modelos generales para estas curvas, [18] que varían considerablemente.
















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La curva roja es un deltoides.
En geometría , un deltoides , también conocido como tricúsculocurva de Steiner , es un hipocicloide de tres cúspides . En otras palabras, es la ruleta creada por un punto en la circunferencia de un círculo a medida que rueda sin deslizarse por el interior de un círculo con tres o una vez y media su radio. Lleva el nombre de la letra griega delta que se asemeja.
En términos más generales, un deltoides puede referirse a cualquier figura cerrada con tres vértices conectados por curvas que son cóncavas al exterior, haciendo que los puntos interiores sean un conjunto no convexo. 





Ecuaciones editar ]

Un deltoides se puede representar (hasta la rotación y la traducción) mediante las siguientes ecuaciones paramétricas
donde a es el radio del círculo rodante, b es el radio del círculo dentro del cual está rodando el círculo mencionado anteriormente. (En la ilustración de arriba b = 3a .)
En coordenadas complejas esto se convierte
.
La variable t puede eliminarse de estas ecuaciones para dar la ecuación cartesiana
por lo que el deltoides es una curva algebraica plana de grado cuatro. En coordenadas polares esto se convierte en
La curva tiene tres singularidades, cúspides correspondientes a La parametrización anterior implica que la curva es racional, lo que implica que tiene el género cero.
Un segmento de línea puede deslizarse con cada extremo en el deltoides y permanecer tangente al deltoides. El punto de tangencia se desplaza alrededor del deltoides dos veces, mientras que cada extremo se desplaza alrededor de él una vez.
La curva dual del deltoides es
que tiene un punto doble en el origen que puede hacerse visible para trazar mediante una rotación imaginaria y ↦ iy, dando la curva
Con un doble punto en el origen del plano real.

Área y perímetro editar ]

El área del deltoides es donde nuevamente a es el radio del círculo rodante; por lo tanto, el área del deltoides es el doble que la del círculo rodante. [2]
El perímetro (longitud de arco total) del deltoides es 16 a . [2]

Historia editar ]

Galileo Galilei y Marin Mersenne estudiaron los cicloides ordinarios desde 1599, pero Ole Rømer concibió las curvas cicloides por primera vez en 1674 mientras estudiaba la mejor forma de dientes de engranaje. Leonhard Euler reclama la primera consideración del deltoides real en 1745 en relación con un problema óptico.

Aplicaciones editar ]

Los deltoides surgen en varios campos de la matemática. Por ejemplo:
  • El conjunto de valores propios complejos de matrices unistochastic de orden tres forma un deltoides.
  • Una sección transversal del conjunto de matrices unistochastic de orden tres forma un deltoides.
  • El conjunto de posibles trazas de matrices unitarias pertenecientes al grupo SU (3) forma un deltoides.
  • La intersección de dos deltoides parametriza una familia de matrices de Hadamard complejas de orden seis.
  • El conjunto de todas las líneas de Simson de un triángulo dado, forma un sobre con la forma de un deltoides. Esto se conoce como deltoides de Steiner o hipocicloides de Steiner después de que Jakob Steinerdescribiera la forma y simetría de la curva en 1856. [3]
  • La envolvente de las bisectrices de área de un triángulo es un deltoides (en el sentido más amplio definido anteriormente) con vértices en los puntos medios de las medianas . Los lados del deltoides son arcos de hipérbolas que son asintóticas a los lados del triángulo. [4] [1]
  • Se propuso un deltoides como solución al problema de la aguja de Kakeya .


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