Subjects geometría diferencial

Parametrizacion Semiesfera 570F78

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Question: En el diseño de un domo geodésico, se necesita parametrizar una superficie semiesférica de radio $R=2$ dada por $x^2+y^2+z^2=4$, con $z=0$. a) Encuentra una parametrización de la semiesfera. b) Calcula el vector normal $r_u\times r_v$ a la superficie en cualquier punto ¿Qué información proporciona el vector normal?
1. **Planteamiento del problema:** Se tiene una semiesfera de radio $R=2$ definida por la ecuación $$x^2 + y^2 + z^2 = 4$$ con la condición $z \geq 0$ (semiesfera superior). 2. **Parametrización de la semiesfera:** Usamos coordenadas esféricas para parametrizar la superficie. Sea $u$ el ángulo polar (colatitud) y $v$ el ángulo azimutal: $$\begin{cases} x = R \sin u \cos v \\ y = R \sin u \sin v \\ z = R \cos u \end{cases}$$ Con $u \in [0, \frac{\pi}{2}]$ para la semiesfera superior y $v \in [0, 2\pi]$. Para $R=2$: $$r(u,v) = (2 \sin u \cos v, 2 \sin u \sin v, 2 \cos u)$$ 3. **Cálculo de los vectores tangentes:** Derivamos respecto a $u$: $$r_u = \left(2 \cos u \cos v, 2 \cos u \sin v, -2 \sin u\right)$$ Derivamos respecto a $v$: $$r_v = \left(-2 \sin u \sin v, 2 \sin u \cos v, 0\right)$$ 4. **Cálculo del vector normal $r_u \times r_v$:** $$r_u \times r_v = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ 2 \cos u \cos v & 2 \cos u \sin v & -2 \sin u \\ -2 \sin u \sin v & 2 \sin u \cos v & 0 \end{vmatrix}$$ Calculamos el determinante: $$= \mathbf{i} \left(2 \cos u \sin v \cdot 0 - (-2 \sin u) \cdot 2 \sin u \cos v\right) - \mathbf{j} \left(2 \cos u \cos v \cdot 0 - (-2 \sin u) \cdot (-2 \sin u \sin v)\right) + \mathbf{k} \left(2 \cos u \cos v \cdot 2 \sin u \cos v - 2 \cos u \sin v \cdot (-2 \sin u \sin v)\right)$$ Simplificando cada componente: $$= \mathbf{i} (0 + 4 \sin^2 u \cos v) - \mathbf{j} (0 - 4 \sin^2 u \sin v) + \mathbf{k} (4 \cos u \sin u \cos^2 v + 4 \cos u \sin u \sin^2 v)$$ $$= (4 \sin^2 u \cos v, -4 \sin^2 u \sin v, 4 \cos u \sin u (\cos^2 v + \sin^2 v))$$ Como $\cos^2 v + \sin^2 v = 1$: $$r_u \times r_v = (4 \sin^2 u \cos v, -4 \sin^2 u \sin v, 4 \cos u \sin u)$$ 5. **Interpretación del vector normal:** El vector normal $r_u \times r_v$ es perpendicular a la superficie en cada punto parametrizado. Proporciona la dirección ortogonal a la superficie, útil para calcular áreas, flujos y para entender la orientación de la superficie en el espacio. 6. **Resumen:** - Parametrización: $$r(u,v) = (2 \sin u \cos v, 2 \sin u \sin v, 2 \cos u)$$ - Vector normal: $$r_u \times r_v = (4 \sin^2 u \cos v, -4 \sin^2 u \sin v, 4 \cos u \sin u)$$ - El vector normal indica la dirección perpendicular a la superficie en cada punto.