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Calculus · real student question

Una figura está limitada por las circunferencias x² + y² − 7y = 0 y x² + y² − 9y = 0 y por las rectas y = x/√3 y x = 0. Escribir la integral que da su área en coordenadas polares y calcular el área.

Question

Una figura plana está limitada por las líneas

x2+y2−7y=0,x2+y2−9y=0,y=x3,x=0.x^2+y^2-7y=0,\qquad x^2+y^2-9y=0,\qquad y=\frac{x}{\sqrt{3}},\qquad x=0.

Escribir la integral que da su área en coordenadas polares (r,φ)(r,\varphi) y evaluarla.

Step-by-step solution

  1. Pasar las dos circunferencias a forma polar. Al sustituir x=rcos⁡φx=r\cos\varphi, y=rsin⁡φy=r\sin\varphi, la expresión x2+y2x^2+y^2 se convierte en r2r^2, así que x2+y2−7y=0x^2+y^2-7y=0 pasa a ser r2−7rsin⁡φ=0r^2-7r\sin\varphi=0, es decir, r(r−7sin⁡φ)=0r(r-7\sin\varphi)=0. Descartando el polo r=0r=0 queda r=7sin⁡φr=7\sin\varphi, y el mismo cálculo en la segunda circunferencia da r=9sin⁡φr=9\sin\varphi. Ambas pasan por el origen y tienen el centro sobre el eje yy, de modo que en esta región el radio va de la menor a la mayor:

    7sin⁡φ≤r≤9sin⁡φ.7\sin\varphi \le r \le 9\sin\varphi.

  2. Pasar las dos rectas a ángulos. En coordenadas polares, una recta que pasa por el origen es una única semirrecta φ=constante\varphi=\text{constante}. La recta x=0x=0 es el eje yy, así que φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}. Para y=x3y=\tfrac{x}{\sqrt3} se sustituyen las formas polares: rsin⁡φ=rcos⁡φ3r\sin\varphi=\tfrac{r\cos\varphi}{\sqrt3}, de donde tan⁡φ=13\tan\varphi=\tfrac{1}{\sqrt3} y φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}. Por tanto el ángulo recorre

    π6≤φ≤π2.\frac{\pi}{6}\le\varphi\le\frac{\pi}{2}.

  3. Montar la integral de área. El elemento de área en coordenadas polares es dS=r dr dφdS=r\,dr\,d\varphi: el factor extra rr es el jacobiano y es justamente lo que más se olvida aquí. Con los límites hallados antes,

    S=∫π/6π/2∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr dφ.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi.

  4. Resolver la integral interior en rr. Como el integrando es solo rr, la integral interior es una diferencia de cuadrados, y por eso el factor sin⁡2φ\sin^2\varphi sale limpiamente:

    ∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr=(9sin⁡φ)2−(7sin⁡φ)22=81−492sin⁡2φ=16sin⁡2φ.\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr=\frac{(9\sin\varphi)^2-(7\sin\varphi)^2}{2}=\frac{81-49}{2}\sin^2\varphi=16\sin^2\varphi.

  5. Integrar en φ\varphi con la fórmula de reducción de potencia. sin⁡2φ\sin^2\varphi no tiene una antiderivada inmediata, así que se reescribe como sin⁡2φ=1−cos⁡2φ2\sin^2\varphi=\tfrac{1-\cos 2\varphi}{2}:

    S=∫π/6π/216sin⁡2φ dφ=8∫π/6π/2(1−cos⁡2φ) dφ=8[φ−sin⁡2φ2]π/6π/2.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}16\sin^2\varphi\,d\varphi=8\int_{\pi/6}^{\pi/2}(1-\cos 2\varphi)\,d\varphi=8\left[\varphi-\frac{\sin 2\varphi}{2}\right]_{\pi/6}^{\pi/2}.

  6. Evaluar en los límites. En φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}: π2−sin⁡π2=π2\tfrac{\pi}{2}-\tfrac{\sin\pi}{2}=\tfrac{\pi}{2}. En φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}: π6−12sin⁡π3=π6−34\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{1}{2}\sin\tfrac{\pi}{3}=\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{\sqrt3}{4}. Restando y multiplicando por 88:

    S=8(π2−π6+34)=8⋅π3+23=8π3+23≈11.84.S=8\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt3}{4}\right)=8\cdot\frac{\pi}{3}+2\sqrt3=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt3\approx 11.84.

    Una comprobación numérica de la misma integral da 11.841711.8417, así que la forma cerrada es correcta.

Answer

S=∫π/6π/2∫7sin⁡φ9sin⁡φr dr dφ=8π3+23≈11.84S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt{3}\approx 11.84

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