Cálculo III – Coordenadas cilíndricas

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Sección 1-12 : Coordenadas cilíndricas

Al igual que en el espacio bidimensional, el sistema de coordenadas estándar \a la izquierda( {x,y,z} \a la derecha)\a se denomina sistema de coordenadas cartesianas. En las dos últimas secciones de este capítulo veremos algunos sistemas de coordenadas alternativos para el espacio tridimensional.

Comenzaremos con el sistema de coordenadas cilíndricas. Este es bastante sencillo ya que no es más que una extensión de las coordenadas polares a las tres dimensiones. No sólo es una extensión de las coordenadas polares, sino que lo extendemos a la tercera dimensión igual que extendemos las coordenadas cartesianas a la tercera dimensión. Lo único que hacemos es añadir una \(z\) como tercera coordenada. Las coordenadas \(r\) y \theta) son las mismas que con las coordenadas polares.

Aquí tenemos un croquis de un punto en \({\mathbb{R}^3}).

Esta gráfica tiene un sistema de coordenadas 3D estándar. El eje z positivo es recto hacia arriba, el eje x positivo se desplaza hacia la izquierda y ligeramente hacia abajo y el eje y positivo se desplaza hacia la derecha y ligeramente hacia abajo. Hay un punto etiquetado como $\left( x,y,z \right)=\left( r,\theta ,z \right)$ que parece estar en el 1er octante (es decir, x, y, z son todos positivos). A partir de este punto una línea discontinua bajó directamente en el plano xy (llegando a él en ángulo recto) y la línea discontinua está etiquetada

Las conversiones para \(x\) y \(y\) son las mismas conversiones que usamos cuando veíamos las coordenadas polares. Por tanto, si tenemos un punto en coordenadas cilíndricas, las coordenadas cartesianas se pueden encontrar utilizando las siguientes conversiones.

\N-

La tercera ecuación es sólo un reconocimiento de que la coordenada \N-(z\) de un punto en coordenadas cartesianas y polares es la misma.

Así mismo, si tenemos un punto en coordenadas cartesianas, las coordenadas cilíndricas se pueden encontrar utilizando las siguientes conversiones.

Veamos rápidamente algunas superficies en coordenadas cilíndricas.

Ejemplo 1 Identifica la superficie para cada una de las siguientes ecuaciones.

  1. (r = 5\)
  2. ({r^2} + {z^2} = 100\)
  3. (z = r\)

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a \N(r = 5\) Mostrar solución

En dos dimensiones sabemos que se trata de un círculo de radio 5. Como ahora estamos en tres dimensiones y no hay \(z\) en la ecuación esto significa que se permite que varíe libremente. Por tanto, para cualquier \(z\) dado tendremos un círculo de radio 5 centrado en el eje \(z\)

En otras palabras, tendremos un cilindro de radio 5 centrado en el eje \(z\).

b \N({r^2} + {z^2} = 100\) Mostrar solución

Esta ecuación será fácil de identificar una vez que la convirtamos de nuevo a coordenadas cartesianas.

Así pues, se trata de una esfera centrada en el origen con radio 10.

c \N(z = r\) Mostrar Solución

De nuevo, esta no será tan mala si la convertimos de nuevo a cartesianas. Por razones que serán evidentes en algún momento, primero elevaremos al cuadrado ambos lados y luego haremos la conversión.

Desde la sección de superficies cuádricas sabemos que ésta es la ecuación de un cono.

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