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Lemniscata de Bernoulli

En geometría, la lemniscata de Bernoulli es una curva plana unicursal definida a partir de dos puntos dados F1 y F2, conocidos como focos, situados a una distancia de 2d entre sí, como el lugar geométrico de los puntos P tales que el producto de su distancia a los dos focos es constante y vale d2:

Una lemniscata de Bernoulli y sus dos focos F1 y F2. En este caso, para , se tiene que el máximo horizontal es y el máximo vertical es
La lemniscata de Bernoulli es la podaria de una hipérbola equilátera
Lemniscata de Bernouilli como la intersección de un toro con un plano tangente a su ecuador interior
Lemniscata descrita por el punto central de un mecanismo de Watt
Espirales sinusoidales: hipérbola equilátera (n = −2), recta (n = −1), parábola (n = −1/2), cardioide (n = 1/2), circunferencia (n = 1) y lemniscata de Bernoulli (n = 2), donde rn = −1n cos en coordenadas polares y sus equivalentes en coordenadas cartesianas
PF1 · PF2 = d2

La curva posee una forma similar al número 8 y al símbolo del . El símbolo del infinito en sí mismo es a veces llamado lemniscata. Su representación en Unicode es , correspondiente al código (#8734).

Es tanto un caso especial del óvalo de Cassini como una curva algebraica racional de grado 4. Lleva el nombre del matemático y físico suizo Jakob Bernoulli.

Etimología

Su nombre en latín, lemniscatus, hace referencia a un objeto "decorado con cintas colgantes".[1]Jakob Bernoulli la redescubrió en 1694 durante su trabajo sobre la elipse,[2]​ y la llamó lemniscus.[3]

Historia

La lemniscata de Bernoulli es parte de una familia de curvas descritas por Jean-Dominique Cassini en 1680, los óvalos de Cassini. Fue descrita por primera vez en 1694 por Jakob Bernoulli como una modificación de una elipse, (que es el lugar geométrico de los puntos para los que la suma de las distancias a cada uno de los dos "puntos focales" fijos es constante). Un óvalo de Cassini, por el contrario, es el lugar de los puntos para los que el producto de estas distancias es constante. En el caso de que la curva pase por el punto intermedio entre los dos focos, el óvalo es una lemniscata de Bernoulli.

El problema de la longitud de los arcos de la lemniscata fue tratado por Giulio Carlo de' Toschi di Fagnano en 1750. Halló el área limitada por esta curva y usó la figura de la lemniscata en la portada de su obra con la leyenda «Multifariam divisa atque dimensa. Deo veritatis gloria» (Dividida muchas veces y medida. Gloria al Dios de la verdad).[4]

Longitud de arco y funciones elípticas

La determinación de la longitud de los arcos de la lemniscata conlleva al cálculo de una integral elíptica, como se descubrió en el siglo XVIII. Alrededor de 1800, las funciones elípticas implicadas en esas integrales fueron estudiadas por Carl Friedrich Gauss (en gran parte su trabajo no fue publicado en ese momento, pero dejó numerosas alusiones en las notas a su obra "Disquisitiones arithmeticae"). El par fundamental de períodos posee una forma muy especial y son proporcionales a enteros gaussianos. Por esta razón, el caso de las funciones elípticas con multiplicación compleja por la −1 se denomina "caso lemniscático" en algunas publicaciones.

Usando la integral elíptica

 

se obtiene la fórmula de la longitud de arco   como

 .

¿El símbolo del infinito?

Una opinión popular sostiene que la lemniscata de Bernoulli se considera el símbolo del infinito [∞] porque es una curva que se puede recorrer sin fin. Sin embargo, la invención del símbolo se atribuye al matemático John Wallis, contemporáneo de Bernoulli.[5]

Generación gráfica

Esta curva se puede obtener como la inversión de una hipérbola equilátera, situando la circunferencia que define la inversión con su centro coincidente con el centro de la hipérbola (el punto medio de sus dos focos). También puede dibujarse con un acoplamiento mecánico en forma de mecanismo de Watt, con las longitudes de las tres barras del enlace y la distancia entre sus puntos finales elegidos para formar un cuadrado antiparalelogramo.[6]

Ecuaciones

  • Su ecuación en coordenadas cartesianas es (excluidas traslación y rotación):
     
  • Su ecuación explícita es:
 
  • Su ecuación en el plano complejo es:
     
  • En coordenadas polares:
     
  • Como ecuación paramétrica:
     
  • En coordenadas bicéntricas:
     
  • En coordenadas polares:
     

Derivadas

 
La inversión de la hipérbola produce una lemniscata y viceversa

Se calculan diferenciando la función implícita

 
Con   como función de  
 
 
Con   como función de  
 
 

Propiedades

Ejes

Para una lemniscata con distancia   desde un foco al origen, se tiene que:

  (semieje horizontal)
  (semieje vertical)

Área

 
El área de la lemniscata de Bernoulli es igual al área de los dos cuadrados azules

El área delimitada por la lemniscata de Bernoulli es:[7]

 

Cuadratura de la lemniscata: imposible para el círculo, la cuadratura exacta es posible para la lemniscata de Bernoulli. Su área de hecho coincide con la de dos cuadrados iguales, cuyo lado es la distancia entre un foco y el centro de la lemniscata).[nota 1]​ Esta área también es igual al área de un cuadrado cuyo lado es la distancia que separa el centro de un máximo de la lemniscata.

Longitud

La longitud de la lemniscata de Bernoulli es:

 

donde M(u, v) es la media aritmético-geométrica de dos números u y v,   es una integral elíptica de primera especie y Γ es la función gamma.

Ángulos

 
Relación entre los ángulos de la lemniscata de Bernoulli

El siguiente teorema sobre los ángulos de la lemniscata se debe al matemático alemán Gerhard Christoph Hermann Vechtmann, quien lo describió en 1843 en su disertación sobre las lemniscatas.[8]

F1 y F2 son los focos de la lemniscata, O es el punto medio del segmento F1F2 y P es cualquier punto de la lemniscata fuera de la línea que conecta F1 y F2. La normal n de la lemniscata en P cruza la línea que conecta F1 y F2 en R. Ahora, el ángulo interior del triángulo OPR en O es un tercio del ángulo exterior del triángulo en R. Además, el ángulo interior en P es dos veces el ángulo interior en O.

Radio de curvatura

El radio de curvatura   es

 

siendo   el radio de la expresión de la curva en coordenadas polares.

Otras propiedades

 
Propiedad gravitatoria de la lemniscata de Bernouilli
  • La lemniscata solo tiene dos focos, siendo 2d la distancia entre ellos.[9]
  • La lemniscata es simétrica a la línea que conecta sus focos F1 y F2 y también a la mediatriz del segmento de línea F1F2.
  • La lemniscata es simétrica con respecto al punto medio del segmento F1F2.
  • La lemniscata es la inversión de una hipérbola y viceversa.
  • Las dos tangentes en el punto medio O son ortogonales y cada una de ellas forma un ángulo de   con una línea que conecta F1 y F2.
  • La sección transversal plana de un toro estándar tangente a su ecuador interno es una lemniscata.
  • El matemático italiano Gian Francesco Malfatti descubrió que una bola que rueda sobre un arco de lemniscata bajo la influencia de la gravedad, tardará el mismo tiempo en descender que una bola que recorra el segmento rectilíneo que conecta los puntos extremos del arco.

Demostraciones

 
La lemniscata de Bernoulli. Notación alternativa

NOTA:

En las demostraciones siguientes, se utiliza una notación ligeramente distinta, para adaptarse a la rotulación de los gráficos. Los focos F1 y F2 pasan a denominarse F' y F, y los puntos P de la curva, se designan como M.

Como ya se ha señalado, una lemniscata de Bernoulli es el conjunto de puntos M que verifican la relación:

 

donde F y F′ son dos puntos fijos y O su punto medio. Los puntos F y F′ se denominan focos de la lemniscata, y O es su centro.

Alternativamente, se puede definir una lemniscata de Bernoulli como el conjunto de puntos M que satisfacen la relación:

 
Demostración
 

O también que :

 

La primera relación se llama "ecuación bipolar", y la segunda "ecuación tripolar".

La curva así definida pertenece a la familia de las lemniscatas (curvas en forma de 8), de las cuales es el ejemplo más conocido y el más rico en propiedades. Por su definición, es el ejemplo más notable de óvalo de Cassini. También representa la sección de un toro particular por un plano tangente a su ecuador interior.

Relación entre las ecuaciones en diferentes sistemas de coordenadas

Mediante la semidistancia focal OF=d

Sea OF = d. En coordenadas polares (el eje polar es OF), la lemniscata de Bernoulli admite la ecuación:

 
Demostración
La relación MF·MF′ = OF2 también se puede escribir como MF2·MF′2 = OF4 donde:
 

y como se ha dicho:

 

o:

 

lo que es correcto, puesto que   :

 

En coordenadas cartesianas (el eje x es OF), y la lemniscata de Bernoulli se define según la ecuación (implícita):

 
Demostración
Paso de coordenadas polares a coordenadas cartesianas:
  y   entonces  

La ecuación polar    pasa a ser así    que es equivalente a  

La abscisa x describe el intervalo   (los límites se alcanzan para y = 0). La ordenada y describe el intervalo   (los límites se alcanzan para  ).

Es posible relacionar y de acuerdo con x:

 
Demostración
Poniendo Y = y2; en la ecuación implícita siguiente:
 

como se ha dicho, y desarrollando:

 

Esta ecuación de segundo grado tiene una única solución (Y no puede ser negativa):

 

de donde se deduce y escribiendo  

pero generalmente es más conveniente manipular la ecuación implícita que usar esta expresión explícita de y.

Representaciones paramétricas

Partiendo de la ecuación en coordenadas polares ρ2 = 2d2cos2θ, se puede representar la lemniscata de Bernoulli mediante las dos ecuaciones siguientes, tomando como parámetro el ángulo polar θ:

 
Demostración
Paso de coordenadas polares a coordenadas cartesianas por las relaciones x = ρcosθ y y = ρsinθ. De ρ2 = 2d2cos2θ se deduce |ρ|. No es necesario mantener el valor positivo porque equivale a cambiar el signo de ρ o a aumentar θ en π.

Sin embargo, esta representación tiene el defecto de que, una vez finalizado el proceso, es necesario variar θ de –π/4 a +π/4 y luego de 5π/4 a 3π/4, una variación que no es continua ni monótona.

Una mejor representación paramétrica viene dada por:

 
Demostración
Partiendo de la representación precedente y expresando todo en función de tanθ (véase por ejemplo el artículo identidades y fórmulas de trigonometría):
 

donde:

 

Haciendo el cambio de variable tanθ = cosφ:

 

No queda más que remplazar   por su expresión equivalente  

La lemniscata se recorre una vez variando φ de π a +π. El parámetro φ está conectado directamente al ángulo polar por la relación cosφ = tanθ, o θ = arctan(cosφ).

También se puede convertir la representación anterior, trigonométrica, en una representación paramétrica racional:

 
Demostración
Partiendo de la representación precedente y expresando todo en función de t = tan(φ/2) (véase por ejemplo el artículo identidades y fórmulas de trigonometría) :
 

entonces:

 

La lemniscata se recorre una vez variando t de –∞ a +∞. El parámetro t está directamente relacionado con el ángulo φ por la relación t = tan(φ/2).

Mediante el semieje OA = a

La mayoría de las ecuaciones anteriores son un poco más simples y más naturales si se utiliza   (semieje de la lemniscata).

En coordenadas polares (siendo el eje polar OA), la lemniscata de Bernoulli admite la ecuación:

 

En coordenadas cartesianas (el eje x es OA), la lemniscata de Bernoulli tiene como ecuación implícita:

 

La abscisa x describe el intervalo [–a, a] (los límites se alcanzan para y = 0). La ordenada y describe el intervalo   (los límites se alcanzan para   ). La longitud focal media es  

Es posible expresar y de acuerdo con x:

 

pero generalmente es más conveniente manipular la ecuación implícita que usar esta expresión explícita de y.

Curvas de la misma familia

La lemniscata de Bernoulli es un caso especial de óvalo de Cassini, hipopoda, espiral sinusoidal y de la spira de Perseo.

Aplicaciones

La dinámica en esta curva y sus versiones más generalizadas se estudian en modelos quasi unidimensionales.

Véase también

Notas

  1. Esta distancia OF = OF' es también igual al diámetro de Féret pequeño de la lemniscata, es decir, su grosor perpendicular a la dirección F'OF.

Referencias

  1. N.V. Alexándrova. Diccionario Histórico de notaciones, términos y conceptos de las matemáticas ISBN 978-5-396-00676-8, se distribuye en el Perú.
  2. Weisstein, Eric W. «Lemniscate». En Weisstein, Eric W, ed. MathWorld (en inglés). Wolfram Research. .
  3. Hofmann: Historia de la matemática, Limusa. Noriega editores, México (2003) pág. 233
  4. N.V. Alexándrova. Diccionario Histórico de notaciones, términos y conceptos de las matemáticas ISBN 978-5-396-00676-8.
  5. John Wallis, De sectionibus conicis nova methodo expositis tractatus (1655), section I, Prop.1, p. 4.
  6. Bryant, John; Sangwin, Christopher J. (2008), How round is your circle? Where Engineering and Mathematics Meet, Princeton University Press, pp. 58-59, ISBN 978-0-691-13118-4 ..
  7. Maynard Kong. Cálculo integral ISBN 9789972421952
  8. Alexander Ostermann, Gerhard Wanner: Geometry by Its History. Springer, 2012, pp. 207-208
  9. "Geometría Analítica" (1968) Rey Pastor, Julio; Santaló, Luis; Balanzat, Manuel. Sin ISBN. pág. 195

Bibliografía

  • J. Dennis Lawrence (1972). A catalog of special plane curves. Dover Publications. pp. 4–5,121–123,145,151,184. ISBN 0-486-60288-5. 

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Lemniscata de Bernoulli.
  • Weisstein, Eric W. «Lemniscate». En Weisstein, Eric W, ed. MathWorld (en inglés). Wolfram Research. 
  • "Lemniscate of Bernoulli" en The MacTutor History of Mathematics archive
  • "Lemniscate of Bernoulli" (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). en MathCurve.
  • Coup d'œil sur la lemniscata de Bernoulli (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última). (en francés)
  • Una mirada al lemniscata de Bernoulli, en el sitio del CNRS (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)..
  • Lemniscate de Bernoulli, en MathCurve (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última)..
  •   Datos: Q736896
  •   Multimedia: Lemniscate of Bernoulli

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En geometria la lemniscata de Bernoulli es una curva plana unicursal definida a partir de dos puntos dados F1 y F2 conocidos como focos situados a una distancia de 2d entre si como el lugar geometrico de los puntos P tales que el producto de su distancia a los dos focos es constante y vale d2 Una lemniscata de Bernoulli y sus dos focos F1 y F2 En este caso para d 1 displaystyle d 1 se tiene que el maximo horizontal es A 2 0 displaystyle A sqrt 2 0 y el maximo vertical es B 3 2 1 2 displaystyle B sqrt 3 2 1 2 La lemniscata de Bernoulli es la podaria de una hiperbola equilatera Lemniscata de Bernouilli como la interseccion de un toro con un plano tangente a su ecuador interior Lemniscata descrita por el punto central de un mecanismo de Watt Espirales sinusoidales hiperbola equilatera n 2 recta n 1 parabola n 1 2 cardioide n 1 2 circunferencia n 1 y lemniscata de Bernoulli n 2 donde rn 1n cos n8 en coordenadas polares y sus equivalentes en coordenadas cartesianas PF1 PF2 d2La curva posee una forma similar al numero 8 y al simbolo del El simbolo del infinito en si mismo es a veces llamado lemniscata Su representacion en Unicode es correspondiente al codigo 8734 Es tanto un caso especial del ovalo de Cassini como una curva algebraica racional de grado 4 Lleva el nombre del matematico y fisico suizo Jakob Bernoulli Indice 1 Etimologia 2 Historia 2 1 Longitud de arco y funciones elipticas 2 2 El simbolo del infinito 3 Generacion grafica 4 Ecuaciones 4 1 Derivadas 5 Propiedades 5 1 Ejes 5 2 Area 5 3 Longitud 5 4 Angulos 5 5 Radio de curvatura 5 6 Otras propiedades 6 Demostraciones 7 Relacion entre las ecuaciones en diferentes sistemas de coordenadas 7 1 Mediante la semidistancia focal OF d 7 1 1 Representaciones parametricas 7 2 Mediante el semieje OA a 8 Curvas de la misma familia 9 Aplicaciones 10 Vease tambien 11 Notas 12 Referencias 13 Bibliografia 14 Enlaces externosEtimologia EditarSu nombre en latin lemniscatus hace referencia a un objeto decorado con cintas colgantes 1 Jakob Bernoulli la redescubrio en 1694 durante su trabajo sobre la elipse 2 y la llamo lemniscus 3 Historia EditarLa lemniscata de Bernoulli es parte de una familia de curvas descritas por Jean Dominique Cassini en 1680 los ovalos de Cassini Fue descrita por primera vez en 1694 por Jakob Bernoulli como una modificacion de una elipse que es el lugar geometrico de los puntos para los que la suma de las distancias a cada uno de los dos puntos focales fijos es constante Un ovalo de Cassini por el contrario es el lugar de los puntos para los que el producto de estas distancias es constante En el caso de que la curva pase por el punto intermedio entre los dos focos el ovalo es una lemniscata de Bernoulli El problema de la longitud de los arcos de la lemniscata fue tratado por Giulio Carlo de Toschi di Fagnano en 1750 Hallo el area limitada por esta curva y uso la figura de la lemniscata en la portada de su obra con la leyenda Multifariam divisa atque dimensa Deo veritatis gloria Dividida muchas veces y medida Gloria al Dios de la verdad 4 Longitud de arco y funciones elipticas Editar La determinacion de la longitud de los arcos de la lemniscata conlleva al calculo de una integral eliptica como se descubrio en el siglo XVIII Alrededor de 1800 las funciones elipticas implicadas en esas integrales fueron estudiadas por Carl Friedrich Gauss en gran parte su trabajo no fue publicado en ese momento pero dejo numerosas alusiones en las notas a su obra Disquisitiones arithmeticae El par fundamental de periodos posee una forma muy especial y son proporcionales a enteros gaussianos Por esta razon el caso de las funciones elipticas con multiplicacion compleja por la 1 se denomina caso lemniscatico en algunas publicaciones Usando la integral eliptica F x def 0 x d t 1 t 4 displaystyle F x stackrel text def int 0 x frac dt sqrt 1 t 4 se obtiene la formula de la longitud de arco L displaystyle L como L 2 2 d 1 1 d t 1 t 4 4 2 d F 1 7 416 d displaystyle L 2 sqrt 2 d int 1 1 frac dt sqrt 1 t 4 4 sqrt 2 dF 1 approx 7 416 cdot d El simbolo del infinito Editar Una opinion popular sostiene que la lemniscata de Bernoulli se considera el simbolo del infinito porque es una curva que se puede recorrer sin fin Sin embargo la invencion del simbolo se atribuye al matematico John Wallis contemporaneo de Bernoulli 5 Generacion grafica EditarEsta curva se puede obtener como la inversion de una hiperbola equilatera situando la circunferencia que define la inversion con su centro coincidente con el centro de la hiperbola el punto medio de sus dos focos Tambien puede dibujarse con un acoplamiento mecanico en forma de mecanismo de Watt con las longitudes de las tres barras del enlace y la distancia entre sus puntos finales elegidos para formar un cuadrado antiparalelogramo 6 Ecuaciones EditarSu ecuacion en coordenadas cartesianas es excluidas traslacion y rotacion x 2 y 2 2 2 d 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2 2d 2 x 2 y 2 Su ecuacion explicita es y d 1 4 x d 2 1 x d 2 x d 2 displaystyle y pm d sqrt sqrt 1 4 left frac x d right 2 left 1 left frac x d right 2 right left x leq d sqrt 2 right Su ecuacion en el plano complejo es z 2 d 2 d 2 displaystyle z 2 d 2 d 2 En coordenadas polares r 2 2 d 2 cos 2 8 displaystyle r 2 2d 2 cos 2 theta Como ecuacion parametrica x d 2 cos t sin 2 t 1 y d 2 cos t sin t sin 2 t 1 displaystyle x frac d sqrt 2 cos t sin 2 t 1 qquad y frac d sqrt 2 cos t sin t sin 2 t 1 En coordenadas bicentricas r r d 2 displaystyle rr d 2 En coordenadas polares Q 2 s 1 displaystyle Q 2s 1 Derivadas Editar La inversion de la hiperbola produce una lemniscata y viceversa Se calculan diferenciando la funcion implicita x 2 y 2 2 2 d 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2 2d 2 x 2 y 2 Con y displaystyle y como funcion de x displaystyle x d y d x ilimitado si y 0 y x 0 1 si y 0 y x 0 x d 2 x 2 y 2 y d 2 x 2 y 2 si y 0 displaystyle frac dy dx begin cases mbox ilimitado amp text si y 0 text y x neq 0 pm 1 amp mbox si y 0 text y x 0 frac x d 2 x 2 y 2 y d 2 x 2 y 2 amp text si y neq 0 end cases d 2 y d x 2 ilimitado si y 0 y x 0 0 si y 0 y x 0 3 d 6 y 2 x 2 y 3 d 2 2 x 2 2 y 2 3 si y 0 displaystyle frac d 2 y dx 2 begin cases text ilimitado amp text si y 0 text y x neq 0 0 amp text si y 0 text y x 0 frac 3d 6 y 2 x 2 y 3 d 2 2x 2 2y 2 3 amp text si y neq 0 end cases Con x displaystyle x como funcion de y displaystyle y d x d y ilimitado si x 2 y 2 d 2 1 si x 0 y y 0 y d 2 2 x 2 2 y 2 x d 2 2 x 2 2 y 2 si x 0 displaystyle frac dx dy begin cases text ilimitado amp text si x 2 y 2 d 2 pm 1 amp text si x 0 text y y 0 frac y d 2 2x 2 2y 2 x d 2 2x 2 2y 2 amp text si x neq 0 end cases d 2 x d y 2 ilimitado si x 2 y 2 d 2 0 si x 0 y y 0 3 d 6 x 2 y 2 x 3 d 2 2 x 2 2 y 2 3 si x 0 displaystyle frac d 2 x dy 2 begin cases text ilimitado amp text si x 2 y 2 d 2 0 amp text si x 0 text y y 0 frac 3d 6 x 2 y 2 x 3 d 2 2x 2 2y 2 3 amp text si x neq 0 end cases Propiedades EditarEjes Editar Para una lemniscata con distancia d displaystyle d desde un foco al origen se tiene que a 2 d displaystyle a sqrt 2 d semieje horizontal b d 2 displaystyle b d 2 semieje vertical Area Editar El area de la lemniscata de Bernoulli es igual al area de los dos cuadrados azules El area delimitada por la lemniscata de Bernoulli es 7 S a 2 2 d 2 displaystyle S a 2 2d 2 Cuadratura de la lemniscata imposible para el circulo la cuadratura exacta es posible para la lemniscata de Bernoulli Su area de hecho coincide con la de dos cuadrados iguales cuyo lado es la distancia entre un foco y el centro de la lemniscata nota 1 Esta area tambien es igual al area de un cuadrado cuyo lado es la distancia que separa el centro de un maximo de la lemniscata Longitud Editar La longitud de la lemniscata de Bernoulli es L 2 p a M 1 2 4 a 0 1 d t 1 t 4 2 2 K 1 2 a G 1 4 2 2 p a 5 244 12 a displaystyle L frac 2 pi a M 1 sqrt 2 4a int 0 1 frac mathrm d t sqrt 1 t 4 2 sqrt 2 K left frac 1 sqrt 2 right a frac left operatorname Gamma 1 4 right 2 sqrt 2 pi a simeq 5 24412 a donde M u v es la media aritmetico geometrica de dos numeros u y v K 1 2 displaystyle K 1 sqrt 2 es una integral eliptica de primera especie y G es la funcion gamma Angulos Editar Relacion entre los angulos de la lemniscata de Bernoulli El siguiente teorema sobre los angulos de la lemniscata se debe al matematico aleman Gerhard Christoph Hermann Vechtmann quien lo describio en 1843 en su disertacion sobre las lemniscatas 8 F1 y F2 son los focos de la lemniscata O es el punto medio del segmento F1F2 y P es cualquier punto de la lemniscata fuera de la linea que conecta F1 y F2 La normal n de la lemniscata en P cruza la linea que conecta F1 y F2 en R Ahora el angulo interior del triangulo OPR en O es un tercio del angulo exterior del triangulo en R Ademas el angulo interior en P es dos veces el angulo interior en O Radio de curvatura Editar El radio de curvatura R c displaystyle R c es R c 2 d 2 3 r displaystyle R c frac 2d 2 3r siendo r displaystyle r el radio de la expresion de la curva en coordenadas polares Otras propiedades Editar Propiedad gravitatoria de la lemniscata de Bernouilli La lemniscata solo tiene dos focos siendo 2d la distancia entre ellos 9 La lemniscata es simetrica a la linea que conecta sus focos F1 y F2 y tambien a la mediatriz del segmento de linea F1F2 La lemniscata es simetrica con respecto al punto medio del segmento F1F2 La lemniscata es la inversion de una hiperbola y viceversa Las dos tangentes en el punto medio O son ortogonales y cada una de ellas forma un angulo de p 4 displaystyle tfrac pi 4 con una linea que conecta F1 y F2 La seccion transversal plana de un toro estandar tangente a su ecuador interno es una lemniscata El matematico italiano Gian Francesco Malfatti descubrio que una bola que rueda sobre un arco de lemniscata bajo la influencia de la gravedad tardara el mismo tiempo en descender que una bola que recorra el segmento rectilineo que conecta los puntos extremos del arco Demostraciones Editar La lemniscata de Bernoulli Notacion alternativa NOTA En las demostraciones siguientes se utiliza una notacion ligeramente distinta para adaptarse a la rotulacion de los graficos Los focos F1 y F2 pasan a denominarse F y F y los puntos P de la curva se designan como M Como ya se ha senalado una lemniscata de Bernoulli es el conjunto de puntos M que verifican la relacion M F M F O F 2 displaystyle rm MF times MF OF 2 donde F y F son dos puntos fijos y O su punto medio Los puntos F y F se denominan focos de la lemniscata y O es su centro Alternativamente se puede definir una lemniscata de Bernoulli como el conjunto de puntos M que satisfacen la relacion M F M F O M 2 displaystyle rm MF MF OM sqrt 2 Demostracion M F M F 2 M F 2 M F 2 2 M F M F O M 2 O F 2 2 O M O F cos 8 O M 2 O F 2 2 O M O F cos 8 2 M F M F 2 O M 2 O F 2 M F M F displaystyle begin aligned rm MF MF 2 amp rm MF 2 MF 2 2 MF cdot MF amp rm OM 2 OF 2 2 OM cdot OF cos theta OM 2 OF 2 2 OM cdot OF cos theta 2 MF cdot MF amp rm 2 OM 2 OF 2 MF cdot MF end aligned O tambien que M F M F O F 2 M F M F 2 2 O M 2 displaystyle rm MF cdot MF OF 2 Leftrightarrow MF MF 2 2 OM 2 La primera relacion se llama ecuacion bipolar y la segunda ecuacion tripolar La curva asi definida pertenece a la familia de las lemniscatas curvas en forma de 8 de las cuales es el ejemplo mas conocido y el mas rico en propiedades Por su definicion es el ejemplo mas notable de ovalo de Cassini Tambien representa la seccion de un toro particular por un plano tangente a su ecuador interior Relacion entre las ecuaciones en diferentes sistemas de coordenadas EditarMediante la semidistancia focal OF d Editar Sea OF d En coordenadas polares el eje polar es OF la lemniscata de Bernoulli admite la ecuacion r 2 2 d 2 cos 2 8 p 4 8 p p 4 displaystyle rho 2 2d 2 cos 2 theta left tfrac pi 4 leq theta pi leq tfrac pi 4 right DemostracionLa relacion MF MF OF2 tambien se puede escribir como MF2 MF 2 OF4 donde O M 2 O F 2 2 O M O F cos 8 O M 2 O F 2 2 O M O F cos 8 O F 4 displaystyle rm OM 2 OF 2 2 OM cdot OF cos theta OM 2 OF 2 2 OM cdot OF cos theta OF 4 y como se ha dicho r 2 d 2 2 r d cos 8 r 2 d 2 2 r d cos 8 d 4 0 displaystyle rho 2 d 2 2 rho d cos theta rho 2 d 2 2 rho d cos theta d 4 0 o r 2 r 2 2 d 2 2 cos 2 8 1 0 displaystyle rho 2 rho 2 2d 2 2 cos 2 theta 1 0 lo que es correcto puesto que cos 2 8 2 cos 2 8 1 displaystyle cos 2 theta 2 cos 2 theta 1 r 0 8 r 2 2 d 2 cos 2 8 p 4 8 p 4 m o d u l o p displaystyle begin cases rho 0 forall theta rho 2 2d 2 cos 2 theta left tfrac pi 4 leq theta leq tfrac pi 4 mathrm modulo pi right end cases En coordenadas cartesianas el eje x es OF y la lemniscata de Bernoulli se define segun la ecuacion implicita x 2 y 2 2 2 d 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2 2d 2 x 2 y 2 DemostracionPaso de coordenadas polares a coordenadas cartesianas r 2 x 2 y 2 displaystyle rho 2 x 2 y 2 y cos 8 x x 2 y 2 displaystyle cos theta frac x sqrt x 2 y 2 entonces cos 2 8 2 cos 2 8 1 x 2 y 2 x 2 y 2 displaystyle cos 2 theta 2 cos 2 theta 1 frac x 2 y 2 x 2 y 2 La ecuacion polar r 2 2 d 2 cos 2 8 displaystyle rho 2 2d 2 cos 2 theta pasa a ser asi x 2 y 2 2 d 2 x 2 y 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2d 2 frac x 2 y 2 x 2 y 2 que es equivalente a x 2 y 2 2 2 d 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2 2d 2 x 2 y 2 La abscisa x describe el intervalo d 2 d 2 displaystyle left d sqrt 2 d sqrt 2 right los limites se alcanzan para y 0 La ordenada y describe el intervalo d 2 d 2 displaystyle left tfrac d 2 tfrac d 2 right los limites se alcanzan para x d 3 2 displaystyle x pm d tfrac sqrt 3 2 Es posible relacionar y de acuerdo con x y d 1 4 x d 2 1 x d 2 x d 2 displaystyle y pm d sqrt sqrt 1 4 left frac x d right 2 left 1 left frac x d right 2 right left x leq d sqrt 2 right DemostracionPoniendo Y y2 en la ecuacion implicita siguiente x 2 Y 2 2 d 2 x 2 Y displaystyle x 2 Y 2 2d 2 x 2 Y como se ha dicho y desarrollando Y 2 2 d 2 x 2 Y x 2 2 d 2 x 2 0 displaystyle Y 2 2 d 2 x 2 Y x 2 2d 2 x 2 0 Esta ecuacion de segundo grado tiene una unica solucion Y no puede ser negativa Y d 2 x 2 d 2 x 2 2 x 2 2 d 2 x 2 previendo que 2 d 2 x 2 0 como se ha dicho x d 2 por lo demas Y lt 0 d 2 x 2 d 2 d 2 4 x 2 d 2 1 4 x d 2 1 x d 2 displaystyle begin aligned Y amp d 2 x 2 sqrt d 2 x 2 2 x 2 2d 2 x 2 text previendo que 2d 2 x 2 geq 0 text como se ha dicho x leq d sqrt 2 text por lo demas Y lt 0 amp d 2 x 2 sqrt d 2 d 2 4x 2 amp d 2 left sqrt 1 4 left frac x d right 2 left 1 left frac x d right 2 right right end aligned de donde se deduce y escribiendo y Y displaystyle y pm sqrt Y pero generalmente es mas conveniente manipular la ecuacion implicita que usar esta expresion explicita de y Representaciones parametricas Editar Partiendo de la ecuacion en coordenadas polares r2 2d2cos28 se puede representar la lemniscata de Bernoulli mediante las dos ecuaciones siguientes tomando como parametro el angulo polar 8 x d cos 8 2 cos 2 8 y d sin 8 2 cos 2 8 displaystyle begin cases x d cos theta sqrt 2 cos 2 theta y d sin theta sqrt 2 cos 2 theta end cases DemostracionPaso de coordenadas polares a coordenadas cartesianas por las relaciones x rcos8 y y rsin8 De r2 2d2cos28 se deduce r No es necesario mantener el valor positivo porque equivale a cambiar el signo de r o a aumentar 8 en p Sin embargo esta representacion tiene el defecto de que una vez finalizado el proceso es necesario variar 8 de p 4 a p 4 y luego de 5p 4 a 3p 4 una variacion que no es continua ni monotona Una mejor representacion parametrica viene dada por x d 2 sin f 1 cos 2 f y d 2 sin f cos f 1 cos 2 f displaystyle begin cases x d sqrt 2 dfrac sin varphi 1 cos 2 varphi y d sqrt 2 dfrac sin varphi cos varphi 1 cos 2 varphi end cases DemostracionPartiendo de la representacion precedente y expresando todo en funcion de tan8 vease por ejemplo el articulo identidades y formulas de trigonometria cos 8 1 1 tan 2 8 sin 8 tan 8 1 tan 2 8 cos 2 8 1 tan 2 8 1 tan 2 8 displaystyle cos theta frac 1 sqrt 1 tan 2 theta sin theta frac tan theta sqrt 1 tan 2 theta cos 2 theta frac 1 tan 2 theta 1 tan 2 theta donde x d 2 1 tan 2 8 1 tan 2 8 y d 2 tan 8 1 tan 2 8 1 tan 2 8 displaystyle x d sqrt 2 frac sqrt 1 tan 2 theta 1 tan 2 theta y d sqrt 2 frac tan theta sqrt 1 tan 2 theta 1 tan 2 theta Haciendo el cambio de variable tan8 cosf x d 2 1 cos 2 f 1 cos 2 f y d 2 cos f 1 cos 2 f 1 cos 2 f displaystyle x d sqrt 2 frac sqrt 1 cos 2 varphi 1 cos 2 varphi y d sqrt 2 frac cos varphi sqrt 1 cos 2 varphi 1 cos 2 varphi No queda mas que remplazar 1 cos 2 f displaystyle sqrt 1 cos 2 varphi por su expresion equivalente sin f displaystyle sin varphi La lemniscata se recorre una vez variando f de p a p El parametro f esta conectado directamente al angulo polar por la relacion cosf tan8 o 8 arctan cosf Tambien se puede convertir la representacion anterior trigonometrica en una representacion parametrica racional x d 2 t t 3 1 t 4 y d 2 t t 3 1 t 4 displaystyle begin cases x d sqrt 2 dfrac t t 3 1 t 4 y d sqrt 2 dfrac t t 3 1 t 4 end cases DemostracionPartiendo de la representacion precedente y expresando todo en funcion de t tan f 2 vease por ejemplo el articulo identidades y formulas de trigonometria sin f 2 t 1 t 2 cos f 1 t 2 1 t 2 1 cos 2 f 2 1 t 4 1 t 2 2 displaystyle sin varphi frac 2t 1 t 2 cos varphi frac 1 t 2 1 t 2 1 cos 2 varphi frac 2 1 t 4 1 t 2 2 entonces x d 2 t 1 t 2 1 t 4 y d 2 t 1 t 2 1 t 4 displaystyle x d sqrt 2 frac t 1 t 2 1 t 4 y d sqrt 2 frac t 1 t 2 1 t 4 La lemniscata se recorre una vez variando t de a El parametro t esta directamente relacionado con el angulo f por la relacion t tan f 2 Mediante el semieje OA a Editar La mayoria de las ecuaciones anteriores son un poco mas simples y mas naturales si se utiliza a d 2 displaystyle a d sqrt 2 semieje de la lemniscata En coordenadas polares siendo el eje polar OA la lemniscata de Bernoulli admite la ecuacion r 2 a 2 cos 2 8 p 4 8 p p 4 displaystyle rho 2 a 2 cos 2 theta left tfrac pi 4 leq theta pi leq tfrac pi 4 right En coordenadas cartesianas el eje x es OA la lemniscata de Bernoulli tiene como ecuacion implicita x 2 y 2 2 a 2 x 2 y 2 displaystyle x 2 y 2 2 a 2 x 2 y 2 La abscisa x describe el intervalo a a los limites se alcanzan para y 0 La ordenada y describe el intervalo a 2 2 a 2 2 displaystyle left tfrac a 2 sqrt 2 tfrac a 2 sqrt 2 right los limites se alcanzan para x a 6 4 displaystyle x pm a tfrac sqrt 6 4 La longitud focal media es O F O F a 2 displaystyle mathrm OF mathrm OF tfrac a sqrt 2 Es posible expresar y de acuerdo con x y a 2 1 8 x a 2 1 2 x a 2 x a displaystyle y pm frac a sqrt 2 sqrt sqrt 1 8 left frac x a right 2 left 1 2 left frac x a right 2 right x leq a pero generalmente es mas conveniente manipular la ecuacion implicita que usar esta expresion explicita de y Curvas de la misma familia EditarLa lemniscata de Bernoulli es un caso especial de ovalo de Cassini hipopoda espiral sinusoidal y de la spira de Perseo Aplicaciones EditarLa dinamica en esta curva y sus versiones mas generalizadas se estudian en modelos quasi unidimensionales Vease tambien EditarLista de curvas Hipopoda Lemniscata de Gerono Constante de Gauss Funcion eliptica lemniscatica ovalo de Cassini Toro geometria Spira de PerseoNotas Editar Esta distancia OF OF es tambien igual al diametro de Feret pequeno de la lemniscata es decir su grosor perpendicular a la direccion F OF Referencias Editar N V Alexandrova Diccionario Historico de notaciones terminos y conceptos de las matematicas ISBN 978 5 396 00676 8 se distribuye en el Peru Weisstein Eric W Lemniscate En Weisstein Eric W ed MathWorld en ingles Wolfram Research Hofmann Historia de la matematica Limusa Noriega editores Mexico 2003 pag 233 N V Alexandrova Diccionario Historico de notaciones terminos y conceptos de las matematicas ISBN 978 5 396 00676 8 John Wallis De sectionibus conicis nova methodo expositis tractatus 1655 section I Prop 1 p 4 Bryant John Sangwin Christopher J 2008 How round is your circle Where Engineering and Mathematics Meet Princeton University Press pp 58 59 ISBN 978 0 691 13118 4 Maynard Kong Calculo integral ISBN 9789972421952 Alexander Ostermann Gerhard Wanner Geometry by Its History Springer 2012 pp 207 208 Geometria Analitica 1968 Rey Pastor Julio Santalo Luis Balanzat Manuel Sin ISBN pag 195Bibliografia EditarJ Dennis Lawrence 1972 A catalog of special plane curves Dover Publications pp 4 5 121 123 145 151 184 ISBN 0 486 60288 5 Enlaces externos Editar Wikimedia Commons alberga una categoria multimedia sobre Lemniscata de Bernoulli Weisstein Eric W Lemniscate En Weisstein Eric W ed MathWorld en ingles Wolfram Research Lemniscate of Bernoulli en The MacTutor History of Mathematics archive Lemniscate of Bernoulli enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima en MathCurve Coup d œil sur la lemniscata de Bernoulli enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima en frances Una mirada al lemniscata de Bernoulli en el sitio del CNRS enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Lemniscate de Bernoulli en MathCurve enlace roto disponible en Internet Archive vease el historial la primera version y la ultima Datos Q736896 Multimedia Lemniscate of Bernoulli Obtenido de https es wikipedia org w index php title Lemniscata de Bernoulli amp oldid 124550825, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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