Bruja de Agnesi

En matemáticas, la bruja de Agnesi (pronounciado 'Añesi'), también llamada la Hechicera de Agnesi o la Bruja de Maria Agnesi (nombrada así por Maria Agnesi) es la curva definida por lo siguiente:

La Bruja de Agnesi, con sus puntos principales.

A partir de una circunferencia, y un punto cualquiera O de la circunferencia, siendo T el punto diametralmente opuesto a O. Para cualquier otro punto A de la circunferencia, la prolongación de la línea secante OA corta a la perpendicular a OT que pasa por T en B. La línea paralela a OT que pasa por B, y la línea perpendicular a OT que pasa por A se cortan en P. Tomando como variable el punto A se define la curva de los puntos P es el de bruja.

La asíntota, de esta curva, es la línea tangente a la circunferencia que pasa por el punto O.

Historia

Esta curva fue estudiada por Pierre de Fermat en 1630, Guido Grandi en 1703, y por Maria Gaetana Agnesi en 1748.

Grandi llamó a la curva versoria, del latín vertere, que significa virar, girar, y versiera en italiano. Es un término naval, que identifica la cuerda o cabo que hace girar la vela. María Gaetana Agnesi escribió a su vez la versiera, añadiendo el artículo femenino llama la versiera di Agnesi que significa la curva de Agnesi.

Los principios de esta curva fueron traducidos al inglés por el profesor de la Universidad de Cambridge, John Colson, con poco conocimiento del italiano, como - l' avversiera di Agnesi -, debido a que "confundió" versiera con avversiera (que en italiano significa 'diablesa', 'demonia'. Se tradujo como witch, "mujer contraria a Dios", esto es, "bruja", el error de la traducción al Inglés permanece hasta nuestros días, dando lugar a su nombre actual. Este término se usa en inglés y en las lenguas que han copiado el nombre del inglés. La dependencia que el idioma español tenía del idioma inglés acabó por embrujarla también en castellano. En otros idiomas se habla de loci (en latín, 'lugares' geométricos, curvas) de Agnesi. En italiano se denomina versiera.^{[1] [2]}

Ecuaciones

La curva Bruja de Agnesi, puede representarse analíticamente como función en el plano xy, tanto en su forma cartesiana y= f(x), como paramétricamente.

Ecuación cartesiana

Tomando el punto O como origen de coordenada, y que T en el lado positivo del eje y, y tomando como radio de la circunferencia el valor a.

Según la figura tenemos las siguientes ecuaciones, por la definición de tangente en el triángulo OAE rectángulo en E y el triángulo OBD rectángulo en D, Semejantes entre sí:

$\tan \alpha = \cfrac{\overline{AE}}{\overline{EO}} = \cfrac{\overline{BD}}{\overline{DO}}$

En el triángulo ACF rectángulo en F, y por el teorema de Pitágoras, tenemos que

${(\overline{AC})}^2 = {(\overline{AF})}^2 + {(\overline{CF})}^2$

Podemos ver también las siguientes igualdades:

$\left \{ \begin{array}{rcl} \overline{CO} & = & \overline{CF} + \overline{FO} \\ \overline{FO} & = & \overline{AE} \\ \overline{BD} & = & 2 \cdot \overline{CO} \\ \overline{AF} & = & \overline{EO} \\ \overline{AC} & = & \overline{CO} = a \\ \overline{AE} & = & \overline{PD} = y \\ \overline{DO} & = & x \\ \end{array} \right .$

Que se puede resumir en las relaciones:

$\left \{ \begin{array}{l} \tan \alpha = \cfrac{y}{\overline{EO}} = \cfrac {2a}{x} \\ \left . \begin{array}{l} a^2 = {(\overline{EO})}^2 + {(\overline{CF})}^2 \\ a = \overline{CF} + y \end{array} \right \} \rightarrow {(\overline{EO})}^2 = y \; (2a-y) \end{array} \right .$

Partiendo de las ecuaciones deducimos:

$\left . \begin{array}{l} \cfrac{y}{\overline{EO}} = \cfrac {2a}{x} \\ {(\overline{EO})}^2 = y \; (2a-y) \end{array} \right \} \rightarrow \cfrac{y}{ \sqrt{y \; (2a-y)}} = \cfrac {2a}{x}$

Elevando la ecuación al cuadrado tenemos:

$\cfrac{y^2}{y \; (2a-y)} = \cfrac {4a^2}{x^2} \rightarrow \cfrac {y}{2a-y} = \cfrac {4a^2}{x^2} \rightarrow \cfrac {2a-y}{y} = \cfrac {x^2}{4a^2} \rightarrow \cfrac {2a}{y} -1 = \cfrac {x^2}{4a^2}$

Operando con la expresión tendremos que:

$\cfrac {2a}{y} = \cfrac {x^2}{4a^2} + 1 \rightarrow \cfrac {2a}{y} = \cfrac {x^2}{4a^2} + \cfrac {4a^2}{4a^2} \rightarrow \cfrac {2a}{y} = \cfrac {x^2 + 4a^2}{4a^2}$

Que invirtiendo la fracción y simplificando dará como resultado:

$\cfrac {y}{2a} = \cfrac {4a^2}{x^2 + 4a^2} \rightarrow y = \cfrac {8a^3}{x^2 + 4a^2}$

Entonces la curva tiene por ecuación cartesiana:

$y = \frac{8a^3}{x^2+4a^2}$

Nota: si tomamos a a=1/2, entonces la ecuación toma una forma muy sencilla:

$y = \frac{1}{x^2+1}.$

Ecuación paramétrica

Paramétricamente, si $\alpha \,$ es el ángulo entre OD y OB, o lo que es lo mismo entre OE y OA, medido en sentido trigonométrico, entonces la curva se define por las ecuaciones:

Partiendo, al igual que en la ecuación cartesiana, de:

$\left \{ \begin{array}{l} \tan \alpha = \cfrac{y}{\overline{EO}} = \cfrac {2a}{x} \\ {(\overline{EO})}^2 = y \; (2a-y) \end{array} \right .$

Primero despejaremos la x respecto de $\alpha \,$:

$\tan \alpha = \cfrac {2a}{x}$

Con lo que fácilmente se puede ver, que:

$x = \cfrac {2a}{\tan \alpha} = 2a\cot \alpha$

Ahora despejaremos la y respecto de $\alpha \,$, partiendo de:

$\left . \begin{array}{l} \tan \alpha = \cfrac{y}{\overline{EO}} \\ {(\overline{EO})}^2 = y \; (2a-y) \end{array} \right \} \rightarrow \tan \alpha = \cfrac{y}{ \sqrt{y \; (2a-y)}}$

Sabiendo que:

$\tan \alpha = \cfrac{ \sin \alpha}{\cos \alpha}$

Tendremos:

$\cfrac{ \sin \alpha}{\cos \alpha} = \cfrac{y}{ \sqrt{y \; (2a-y)}}$

Elevando esta expresión al cuadrado, tendremos:

$\cfrac{ \sin^2 \alpha}{\cos^2 \alpha} =\cfrac{y^2}{ y \; (2a-y)} \rightarrow \cfrac{ \sin^2 \alpha}{\cos^2 \alpha} =\cfrac{y}{2a-y} \rightarrow \cfrac{\cos^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha} = \cfrac{2a-y}{y} \rightarrow \cfrac{\cos^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha} = \cfrac{2a}{y} - 1$

Operando con la expresión:

$\cfrac{2a}{y} = \cfrac{\cos^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha} + 1 \rightarrow \cfrac{2a}{y} = \cfrac{\cos^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha} + \cfrac{ \sin^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha} \rightarrow \cfrac{2a}{y} = \cfrac{\cos^2 \alpha + \sin^2 \alpha}{ \sin^2 \alpha}$

Sabiendo que:

$1 = \sin^2 \alpha + \cos^2 \alpha \,$

Tendremos:

$\cfrac{2a}{y} = \cfrac{1}{ \sin^2 \alpha} \rightarrow \cfrac{y}{2a} = \sin^2 \alpha \rightarrow y = 2a \sin^2 \alpha$

$x = 2a \cot \alpha \,$

$y = 2a \sin^2 \alpha \,$

Estas ecuaciones dependen del ángulo $\alpha \,$ y de la correspondiente función trigonométrica, veamos un forma paramétrica más sencilla eliminando las funciones trigonométricas.

Partimos de las ecuaciones:

$x = \cfrac {2a}{\tan \alpha}$

$y = 2a \sin^2 \alpha \,$

y sabemos que:

$\tan \alpha = \cfrac{\sin \alpha}{\cos \alpha}$

haciendo el inverso:

$\cfrac{1}{\tan \alpha} = \cfrac{\cos \alpha}{\sin \alpha}$

por la relación del coseno respecto al seno:

$\cfrac{1}{\tan \alpha} = \cfrac{\sqrt{1 - \sin^2 \alpha}}{\sin \alpha}$

aplicando la raíz al denominador:

$\cfrac{1}{\tan \alpha} = \sqrt{\cfrac{1 - \sin^2 \alpha}{\sin^2 \alpha}}$

operando la fracción:

$\cfrac{1}{\tan \alpha} = \sqrt{\cfrac{1}{\sin^2 \alpha} - 1}$

si llamamos t a:

$t = \cfrac{1}{\tan \alpha}$

tendremos que:

$t = \sqrt{\cfrac{1}{\sin^2 \alpha} - 1}$

eliminando la raíz:

$t^2 = \cfrac{1}{\sin^2 \alpha} - 1$

operando:

$t^2 + 1 = \cfrac{1}{\sin^2 \alpha}$

lo que resulta:

$\sin^2 \alpha = \cfrac{1}{t^2 + 1}$

Con estos resultados y las ecuaciones originales, tenemos:

$\left . \begin{array}{l} x = \cfrac {2a}{\tan \alpha} \\ \\ y = 2a \sin^2 \alpha \\ \cfrac{1}{\tan \alpha} = t \\ \sin^2 \alpha = \cfrac{1}{t^2 + 1} \end{array} \right \} \longrightarrow \left \{ \begin{array}{l} x = {2a}t \\ y = \cfrac{2a}{t^2 + 1} \end{array} \right .$

Con lo que tenemos las ecuaciones paramétricas:

$x = {2a}t \,$

$y = \cfrac{2a}{t^2 + 1} \,$

Donde t es un parámetro real, el signo de t es el mismo que el de x, así si t es negativo x será negativo, y si t es positivo x será también positivo. Independientemente del valor de t, y siempre tomara valores positivos, para t igual a cero, x valdrá cero é y valdrá 2a.

Cuando t tiende a infinito, x también tiende a infinito é y se hace cero.

Representación gráfica

La curva Bruja de Agnesi, definida por la función:

$y = \frac{8a^3}{x^2+4a^2}$

en el plano cartesiano xy, y donde el parámetro a es el radio de la circunferencia. También puede representarse según el parámetro d, diámetro de la circunferencia, donde d= 2a:

$y = \frac{8a^3}{x^2+4a^2} \rightarrow \quad y = \frac{2^3 a^3}{x^2+2^2 a^2} \rightarrow \quad y = \frac{(2a)^3}{x^2+(2a)^2} \rightarrow \quad y = \frac{d^3}{x^2+d^2}$

Estas dos expresiones son equivalentes, siendo la expresada según el diámetro d, más sencilla al carecer de coeficientes, las dos se pueden ver al consultar bibliografía y tiene por representación gráfica:

Estudio de la función.

Para estudiar la función de la curva Bruja de Agnesi, tomaremos su expresión cartesiana explícita:

$y = \frac{d^3}{x^2+d^2}$

donde d es el diámetro de la circunferencia. Pudiéndose ver las siguientes propiedades:

• Esta definida para todos los valores de x reales:

$\forall x \in \mathbb{R} : \quad \exists y \in \mathbb{R} \quad / \quad y = \frac{d^3}{x^2+d^2}$

• Es una función par, simétrica respecto al eje y:

$\forall x \in \mathbb{R} : \quad f(x) = f(-x) \,$

esto es:

$f(-x) = \frac{d^3}{(-x)^2+d^2} = \frac{d^3}{x^2+d^2} = f(x)$

• Tiene por asíntota horizontal: y = 0

cuando x tiende a infinito la función se hace cero:

$\underset {x \to +\infty} {L \acute{\imath}m} \; \frac{d^3}{x^2+d^2} = 0$

y cuando x tiende a menos infinito también se hace cero:

$\underset {x \to -\infty} {L \acute{\imath}m} \; \frac{d^3}{x^2+d^2} = 0$

Derivada primera de la función

Partiendo de la función, calculamos su derivada:

$\cfrac{dy}{dx} \; \frac{d^3}{x^2+d^2} = \cfrac{-2 d^3 x}{(x^2 + d^2)^2}$

Esta derivada solo vale cero cuando x vale cero, por lo tanto puede presentar un extremo relativo para x = 0.

Derivada segunda de la función

Derivando nuevamente tendremos la segunda derivada de la función:

$\cfrac{d^2y}{dx^2} \; \frac{d^3}{x^2+d^2} = \cfrac{dy}{dx} \; \cfrac{-2 d^3 x}{(x^2 + d^2)^2} = \cfrac{2 d^3(3x^2 - d^2)}{(x^2 + d^2)^3}$

La segunda derivada valdrá cero cuando:

$3x^2 - d^2 = 0 \;$

Esto es:

$3x^2 = d^2 \;$

despejando la x, tenemos:

$x^2 = \frac{d^2}{3} \;$

Lo que resulta:

$x =\pm \frac{d}{\sqrt{3}} \;$

Para los valores:

$x = \frac{d}{\sqrt{3}} \quad x = - \frac{d}{\sqrt{3}}$

La función presenta puntos de inflexión.

Si llámanos:

$x_1 = \frac{d}{\sqrt{3}}$

Podemos ver que en el intervalo: $( -\infty , -x_1) \;$ la función es convexa, en el intervalo $( -x_1 , x_1) \;$ es cóncava y en $( x_1 , \infty) \;$ convexa, los puntos $-x_1 , x_1 \;$ son puntos de inflexión y para $x = 0 \;$ presenta un máximo.

Propiedades

• La zona comprendida entre la bruja y su asíntota es cuatro veces el área del círculo (es decir, $4 \pi a^2 \,$)

• El volumen de la revolución de la bruja, tomando como eje su asíntota, es $4 \pi 2a^3 \,$

• El centroide de la curva se encuentra en ( $0, \frac {a} {2}$).

Aplicaciones

La Bruja de Agnesi encuentra aplicación en la descripción física de los fenómenos de resonancia, por ejemplo, un átomo afectado por una radiación monocromática, emite radiación cuya intensidad depende de la frecuencia de la radiación emitida, y la relación entre los dos radiaciones viene dada por la Bruja de Agnesi, con el máximo en la longitud de onda de luz incidente.

En Estadística, la Distribución de Cauchy de una variable aleatoria, se expresa por una Bruja de Agnesi.

Véase también

• Distribución de Cauchy

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Bruja de AgnesiCommons.

Bruja de Agnesi

María Gaetano Agnesi estudió con detalle una curva

Bruja de Agnesi

Referencias

1. ↑ "A Brief History of The Lucasian Professorship of Mathematics at Cambridge University" — Robert Bruen, Boston College, May 1995
2. ↑ The Witch of Agnesi - Mathforum.org

Fuentes

• "The Witch of Agnesi". John H. Lienhard. The Engines of Our Ingenuity. NPR. KUHF-FM Houston. 2002. No. 1741. Transcript.
• Boucher, Chris. «Witch of Agnesi» (en inglés). The Wolfram Demonstrations Project. Wolfram Research.
• O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., «Biografía de Maria Gaëtana Agnesi» (en inglés), MacTutor History of Mathematics archive, Universidad de Saint Andrews, http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Agnesi.html 
• Weisstein, Eric W. «Witch of Agnesi» (en inglés). MathWorld. Wolfram Research.