Bogenlänge einer ebenen Kurve

Sei c(t)=(x(t),y(t))c(t)=(x(t),y(t)) eine Kurve, dann kann man in Anlehnung an Formel 15W1 die Bogenlänge ll der Kurve zwischen den Parametern t0t_0 und t1t_1 mit der folgenden Formel berechnen:

Formel 15WH (Bogenlänge der Kurve in Parameterdarstellung)

l=∫t0t1x˙2+y˙2d⁡t=∫t0t1∣∣c˙(t)∣∣d⁡tl=\int\limits_{t_0}^{t_1}\sqrt{ {\dot x}^2+ {\dot y}^2}\d t = \int\limits_{t_0}^{t_1} {||\dot c(t)||}\d t

Beispiel

In Beispiel 15WI hatten wir mittels Formel 15W1 den Umfang des Kreises bestimmt. Für einen Kreis in Parameterform c(t)=(r0cos⁡t,r0sin⁡t)c(t)=(r_0\cos t, r_0\sin t) gestaltet sich diese Rechnung wesentlich einfacher:
Es ist c˙(t)=(−r0sin⁡t,r0cos⁡t)\dot c(t)=(-r_0\sin t, r_0\cos t)
u=∫02πr02sin⁡2t+r02cos⁡2tu=\int\limits_{0}^{2\pi}\sqrt{r_0^2\sin^2t +r_0^2\cos^2t} =r0∫02πd⁡t=2πr0=r_0\int\limits_{0}^{2\pi} \d t=2\pi r_0
Um die Bogenlänge in Polarkoordinaten zu berechnen, gehen wir von den Beziehungen x=r⋅cos⁡φx=r\cdot \cos\phi und y=r⋅sin⁡φy=r\cdot \sin\phi aus und erhalten x˙=r˙cos⁡φ−rsin⁡φ\dot x=\dot r\cos\phi-r\sin\phi und y˙=r˙sin⁡φ+rcos⁡φ\dot y= \dot r\sin\phi+r\cos\phi.
Also: x˙2=r˙2cos⁡2φ−2r˙rsin⁡φcos⁡φ+r2sin⁡2φ{\dot x}^2={\dot r}^2\cos^2\phi-2\dot r r\sin\phi\cos\phi + r^2\sin^2\phi und y˙2=r˙2sin⁡2φ+2r˙rsin⁡φcos⁡φ+r2cos⁡2φ{\dot y}^2={\dot r}^2\sin^2\phi+2\dot r r\sin\phi\cos\phi + r^2\cos^2\phi
Setzen wir dies in obige Formel ein, ergibt sich
l=∫φ0φ1x˙2+y˙2 d⁡φl=\int\limits_{\phi_0}^{\phi_1}\sqrt { {\dot x}^2+ {\dot y}^2}\, \d \phi =∫φ0φ1r˙2cos⁡2φ−2r˙rsin⁡φcos⁡φ+r2sin⁡2φ+r˙2sin⁡2φ+2r˙rsin⁡φcos⁡φ+r2cos⁡2φ d⁡φ= \int\limits_{\phi_0}^{\phi_1}\sqrt { {\dot r}^2\cos^2\phi-2\dot r r\sin\phi\cos\phi + r^2\sin^2\phi+ {\dot r}^2\sin^2\phi+2\dot r r\sin\phi\cos\phi + r^2\cos^2\phi}\, \d \phi =∫φ0φ1r˙2+r2d⁡φ=\int\limits_{\phi_0}^{\phi_1}\sqrt { {\dot r}^2+r^2}\d\phi.
 
 

Die Logik ist die Hygiene, deren sich der Mathematiker bedient, um seine Gedanken gesund und kräftig zu erhalten.

Hermann Weyl

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