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📐 Geometría analítica nivel medio

Coordenadas polares

Describir el plano con distancia y ángulo: espirales, rosas y cardioides.

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La idea

En lugar de dar la posición de un punto por sus desplazamientos horizontal y vertical, las coordenadas polares la dan por su distancia r al origen (el polo) y el ángulo θ que forma con el eje X. Ambas descripciones se convierten una en otra con las relaciones x = r cos θ, y = r sen θ.

Muchas curvas que en cartesianas tienen ecuaciones enrevesadas se vuelven sencillas en polares: la circunferencia centrada en el origen es simplemente r = R, la espiral de Arquímedes es r = aθ, la cardioide r = a(1 + cos θ) y las rosas r = a cos(kθ), con tantos pétalos como indique k (o el doble, si k es par).

Las polares son naturales siempre que hay un centro privilegiado: un radar, una órbita, una antena o un movimiento de rotación. Su generalización tridimensional son las coordenadas cilíndricas y esféricas.

Fórmulas clave

  • Polar → cartesianax = r cos θ, y = r sen θ
  • Cartesiana → polarr = √(x² + y²), θ = atan2(y, x)
  • Espiral de Arquímedesr = a θ
  • Cardioider = a (1 + cos θ)
  • Rosar = a cos(k θ)
  • Área en polaresA = ½ ∫ r² dθ

Dónde se aplica

Las pantallas de radar y los diagramas de radiación de antenas se dibujan en polares. En robótica, un brazo articulado se controla con ángulos, no con coordenadas cartesianas, y hay que convertir entre ambos sistemas (cinemática directa e inversa). En análisis de señales, los números complejos se escriben en forma polar (módulo y fase) para multiplicarlos sin esfuerzo, y en imágenes médicas las tomografías reconstruyen el interior del cuerpo a partir de proyecciones tomadas en ángulos sucesivos.

Con programación (Python)

import math

def a_cartesianas(r, theta):
    return r*math.cos(theta), r*math.sin(theta)

def a_polares(x, y):
    return math.hypot(x, y), math.atan2(y, x)

print(a_cartesianas(2, math.pi/3))
print(a_polares(-1, 1))   # r = sqrt(2), theta = 135 grados

# Puntos de una cardioide r = 1 + cos(theta)
for k in range(0, 8):
    th = 2*math.pi*k/8
    r = 1 + math.cos(th)
    x, y = a_cartesianas(r, th)
    print(f"theta={math.degrees(th):5.0f}  r={r:.3f}  (x,y)=({x:6.3f},{y:6.3f})")

# Área de la cardioide por suma numérica: A = 1/2 * integral r^2 dtheta
n = 10000
area = sum(0.5*(1+math.cos(2*math.pi*i/n))**2 * (2*math.pi/n) for i in range(n))
print("Área ≈", area, "(exacta: 3π/2 =", 1.5*math.pi, ")")

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