Resumo
Esta aula apresenta um segundo modo de nomear os pontos do plano: pela sua distância a um ponto fixo, o polo, e pelo ângulo que formam com uma semirreta fixa, o eixo polar. Adota a convenção que admite raios negativos, descreve todas as representações de um mesmo ponto, deduz as fórmulas de conversão entre coordenadas polares e cartesianas, com a correção do arco-tangente segundo o quadrante, e obtém a distância entre dois pontos por meio da lei dos cossenos. Estuda depois as equações polares de retas e circunferências, os critérios de simetria e o traçado por tabelas de valores da cardioide, das rosáceas, da espiral de Arquimedes e do caracol, e termina com a equação polar das cônicas que têm um foco no polo, na qual se leem o seu tipo, os seus vértices e o seu lado reto.
Objetivos de aprendizagem
- Representar pontos em coordenadas polares, reconhecer todas as representações de um mesmo ponto e passar das coordenadas polares às cartesianas e vice-versa.
- Calcular distâncias em coordenadas polares e traduzir equações de retas e circunferências de um sistema para o outro, sem perder nem acrescentar o polo.
- Aplicar os critérios de simetria e as tabelas de valores ao traçado de curvas polares: cardioides, rosáceas, espirais e caracóis.
- Deduzir a equação polar das cônicas com um foco no polo e ler nela a sua excentricidade, os seus vértices e o seu lado reto.
As coordenadas polares
As coordenadas cartesianas, estudadas na aula do curso I sobre a equação da reta e os sistemas cartesianos, nomeiam um ponto pelas suas distâncias com sinal a duas retas perpendiculares. Ora, muitas curvas descrevem-se com mais naturalidade pela distância a um ponto fixo e pela direção em que são vistas a partir dele: uma circunferência em torno do seu centro, uma espiral que se abre a ritmo constante ou a órbita de um planeta em torno do Sol. Para elas convém um sistema de coordenadas polares, formado por um ponto fixo , o polo, e uma semirreta fixa com origem nele, o eixo polar. Para que os dois sistemas convivam, o polo é colocado na origem e o eixo polar sobre o semieixo positivo das abscissas.
Sejam e dois números reais. O ponto de coordenadas polares é o ponto do plano de coordenadas cartesianas
Se , é o ponto que está a distância do polo sobre o lado terminal do ângulo em posição padrão, estudado na aula sobre os ângulos e sua medida: é o ponto da circunferência unitária, definido na aula sobre as razões trigonométricas, com as suas coordenadas multiplicadas por . O número chama-se raio e o ângulo , medido em radianos, ângulo polar.
A definição admite também e , e nisso consiste a convenção desta aula. Com obtém-se o polo, qualquer que seja . Com obtém-se o ponto situado a distância do polo na direção oposta à de : pelas simetrias e da aula sobre as razões trigonométricas, os pares e dão o mesmo ponto.
Muitos textos exigem ; admitir raios negativos tem duas vantagens que esta aula aproveitará: a reta que passa pelo polo com direção descreve-se inteira com a equação , e curvas como as rosáceas percorrem-se de maneira contínua. O preço é que um mesmo ponto admite mais representações. Daí se segue uma regra que convém fixar desde já: um ponto pertence à curva de uma equação polar se alguma das suas representações satisfaz a equação, ainda que outras não a satisfaçam.
Seja uma representação de um ponto distinto do polo. O par representa também se e somente se e para algum inteiro , ou então e para algum inteiro . O polo é o ponto representado pelos pares , com qualquer.
Usam-se a identidade pitagórica e a caracterização dos ângulos côngruos da aula sobre os ângulos e sua medida: dois ângulos dão o mesmo ponto da circunferência unitária exatamente quando diferem por um múltiplo inteiro de .
Demonstração
A distância de um ponto ao polo não depende da representação escolhida: pela identidade pitagórica, vale . Portanto, duas representações de um mesmo ponto têm , e o polo é o único ponto com .
Se , dividimos as coordenadas de ambos os pontos por : os pontos e da circunferência unitária coincidem, e isso ocorre exatamente quando os ângulos são côngruos.
Se , o par dá o mesmo ponto que , e pelo passo precedente é côngruo a . Como percorre todos os ímpares quando percorre os inteiros, é o que afirma o lema.
Assim, o ponto de coordenadas polares admite também as representações e , que dão uma volta a mais ou uma volta a menos, e ou , que olham na direção oposta e recuam.
Das coordenadas cartesianas às polares
As fórmulas e dão a passagem das coordenadas polares às cartesianas. A passagem inversa exige escolher uma representação entre todas as possíveis; a que se toma habitualmente é a que tem e no intervalo . Para achar o ângulo usa-se a função arco-tangente da aula sobre as funções trigonométricas inversas, que toma valores em e, portanto, só vê os ângulos do primeiro e do quarto quadrantes: nos outros dois é preciso corrigi-la somando ou subtraindo .
Todo ponto distinto do polo tem uma única representação polar com e . O seu raio é , e o seu ângulo polar é dado pelos cinco casos da fórmula abaixo.
A ideia é reduzir o problema à circunferência unitária, onde o coeficiente angular da reta que passa pelo polo determina dois pontos opostos, e o sinal da abscissa decide entre eles.
Demonstração
Pelo lema acima, , e com o raio é a raiz quadrada. Dividindo por , o ângulo procurado é o de um ponto da circunferência unitária, que existe pela propriedade de recobrimento do axioma do percurso, admitido na aula sobre os ângulos e sua medida, e que em é único, porque dois ângulos desse intervalo, que tem comprimento , não podem ser côngruos.
Se , o ponto é ou segundo o sinal de , e pelos valores notáveis do seno e do cosseno o ângulo é ou .
Se , a tangente de é o coeficiente angular da reta que une o polo ao ponto. O ângulo tem essa tangente e está em , onde o cosseno é positivo.
Na circunferência unitária há exatamente dois pontos com coeficiente angular a partir do polo: se é um deles, e . São opostos, de modo que um tem abscissa positiva e o outro negativa; pela simetria do ângulo , são os pontos dos ângulos e .
Se , o ponto tem abscissa positiva e . Se , é o ponto de . Quando, além disso, , o coeficiente angular é negativo ou nulo, e já está em ; quando , o coeficiente angular é positivo e é preciso subtrair uma volta, .
Por exemplo, o ponto está no segundo quadrante: o seu raio é , e como , o seu ângulo polar é . A calculadora que dá o arco-tangente de sem atender aos sinais de e de separadamente devolveria , que é o ângulo do ponto oposto .
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