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Sucesiones y series

Ejercicios resueltos de curvas paramétricas y coordenadas polares

12 ejercicios de paramétricas y polares con respuestas: dy/dx, rectas tangentes, longitud de arco, cambio de coordenadas, pendientes y áreas en polares.

Sucesiones y series Actualizado 4 min de lectura

De un vistazo

\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}, \qquad A = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta} r^2\,d\theta
Ejercicios
12, con respuestas y soluciones completas
Nivel
Cálculo 2 y AP Calculus BC, unidad 9
Necesitas
La regla de la cadena, valores trigonométricos e integrales trigonométricas
Idea principal
Paramétricas: divide las derivadas respecto de t. Polares: usa x = r\cos\theta, y = r\sin\theta
Practica con números nuevos
Lección de áreas en polares
En esta página
  1. Ejercicios
  2. Respuestas
  3. Soluciones paso a paso
  4. Errores comunes en estos ejercicios
  5. Sigue practicando

Estos ejercicios de paramétricas y polares cubren pendientes, rectas tangentes, segundas derivadas y longitud de arco de curvas paramétricas, y luego cambio de coordenadas, pendientes y áreas en coordenadas polares. Intenta cada uno primero. Primero van las respuestas y después las soluciones completas.

Las fórmulas clave:

\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}, \qquad L = \int_a^b\sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\,dt, \qquad A = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta}r^2\,d\theta

Ejercicios

Curvas paramétricas

  1. Para x = t^2, y = t^3, halla \frac{dy}{dx} y su valor en t = 2.
  2. Halla la recta tangente a la curva del ejercicio 1 en t = 2.
  3. Elimina el parámetro: x = 2\cos t, y = 3\sin t.
  4. Para x = t^2, y = t^3, halla \frac{d^2y}{dx^2}.
  5. Halla los puntos donde x = t^2 - 1, y = t^3 - 3t tiene tangente horizontal.
  6. Halla la longitud de arco de x = t^2, y = \frac{2}{3}t^3 para 0 \le t \le 1.

Coordenadas polares

  1. Pasa el punto polar (r, \theta) = \left(4, \frac{\pi}{3}\right) a coordenadas cartesianas.
  2. Pasa r = 4\sin\theta a ecuación cartesiana y describe la curva.
  3. Halla la pendiente \frac{dy}{dx} de r = 1 + \cos\theta en \theta = \frac{\pi}{2}.

Áreas en polares

  1. Halla el área encerrada por r = 2\cos\theta.
  2. Halla el área de un pétalo de r = \cos(2\theta).
  3. Halla el área encerrada por la cardioide r = 1 + \cos\theta.

Respuestas

Ejercicio Respuesta
1 \frac{dy}{dx} = \frac{3t}{2}; en t = 2, pendiente 3
2 y = 3x - 4
3 \frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1
4 \frac{3}{4t}
5 (0, -2) y (0, 2)
6 \frac{2}{3}\left(2\sqrt{2} - 1\right) \approx 1.219
7 \left(2, 2\sqrt{3}\right)
8 x^2 + (y - 2)^2 = 4, una circunferencia
9 1
10 \pi
11 \frac{\pi}{8}
12 \frac{3\pi}{2}

Soluciones paso a paso

1. \frac{dx}{dt} = 2t y \frac{dy}{dt} = 3t^2:

\frac{dy}{dx} = \frac{3t^2}{2t} = \frac{3t}{2}, \qquad \text{en } t = 2: \ 3

2. En t = 2 el punto es (4, 8) y la pendiente es 3: y - 8 = 3(x - 4), así que y = 3x - 4.

3. \cos t = \frac{x}{2} y \sin t = \frac{y}{3}. Usa \cos^2 t + \sin^2 t = 1:

\frac{x^2}{4} + \frac{y^2}{9} = 1

Es una elipse.

4. Deriva \frac{dy}{dx} = \frac{3t}{2} respecto de t para obtener \frac{3}{2}, y luego divide entre \frac{dx}{dt} = 2t:

\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{3/2}{2t} = \frac{3}{4t}

5. \frac{dy}{dt} = 3t^2 - 3 = 0 en t = \pm 1, y ahí \frac{dx}{dt} = 2t \neq 0. En t = 1: (0, -2). En t = -1: (0, 2).

6. \frac{dx}{dt} = 2t y \frac{dy}{dt} = 2t^2, así que la rapidez es \sqrt{4t^2 + 4t^4} = 2t\sqrt{1 + t^2} para t \ge 0. Con u = 1 + t^2:

\int_0^1 2t\sqrt{1 + t^2}\,dt = \left[\frac{2}{3}(1 + t^2)^{3/2}\right]_0^1 = \frac{2}{3}\left(2\sqrt{2} - 1\right)

7. x = 4\cos\frac{\pi}{3} = 2 e y = 4\sin\frac{\pi}{3} = 2\sqrt{3}.

8. Multiplica ambos lados por r: r^2 = 4r\sin\theta, así que x^2 + y^2 = 4y. Completa el cuadrado:

x^2 + (y - 2)^2 = 4

Una circunferencia de radio 2 con centro en (0, 2).

9. Usa x = r\cos\theta, y = r\sin\theta con r' = -\sin\theta. En \theta = \frac{\pi}{2}: r = 1 y r' = -1.

\frac{dy}{d\theta} = r'\sin\theta + r\cos\theta = -1, \qquad \frac{dx}{d\theta} = r'\cos\theta - r\sin\theta = -1

Así que \frac{dy}{dx} = \frac{-1}{-1} = 1.

10. La circunferencia se recorre una vez para -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}:

\frac{1}{2}\int_{-\pi/2}^{\pi/2}4\cos^2\theta\,d\theta = 2\cdot\frac{\pi}{2} = \pi

Coincide con el área de un círculo de radio 1.

11. Un pétalo va de \theta = -\frac{\pi}{4} a \frac{\pi}{4}, donde \cos 2\theta \ge 0. Usa \cos^2 2\theta = \frac{1 + \cos 4\theta}{2}:

\frac{1}{2}\int_{-\pi/4}^{\pi/4}\cos^2(2\theta)\,d\theta = \frac{1}{2}\cdot\frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{8}

12. Desarrolla (1 + \cos\theta)^2 = 1 + 2\cos\theta + \cos^2\theta. En [0, 2\pi], estos términos integran 2\pi, 0 y \pi:

\frac{1}{2}(2\pi + 0 + \pi) = \frac{3\pi}{2}

Errores comunes en estos ejercicios

  • Dividir segundas derivadas. En el ejercicio 4, \frac{d^2y/dt^2}{d^2x/dt^2} = \frac{6t}{2} = 3t es incorrecto.
  • Usar \frac{dr}{d\theta} como pendiente. En el ejercicio 9, r' = -1 pero la pendiente de la curva es 1.
  • Límites que recorren la curva dos veces. r = 2\cos\theta en [0, 2\pi] da dos vueltas y da 2\pi.
  • Olvidar el \frac{1}{2}. El área en polares es \frac{1}{2}\int r^2\,d\theta, no \int r\,d\theta.

Sigue practicando

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Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula la segunda derivada de una curva paramétrica?

Deriva \frac{dy}{dx} respecto de t y luego divide entre \frac{dx}{dt}. No es \frac{d^2y/dt^2}{d^2x/dt^2}. El ejercicio 4 muestra los pasos.

¿Por qué el área en polares es un medio de r al cuadrado?

Una rebanada fina de una región polar es casi un sector circular de radio r y ángulo d\theta. Un sector tiene área \frac{1}{2}r^2\,d\theta, y al integrar se suman las rebanadas.

¿Dónde tiene una curva paramétrica tangente horizontal?

Donde \frac{dy}{dt} = 0 y \frac{dx}{dt} \neq 0. Hay tangente vertical donde \frac{dx}{dt} = 0 y \frac{dy}{dt} \neq 0. Si ambas son cero, hay que estudiarlo más a fondo.

Escrito por el equipo de PracticeCalculus

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