Testo. Data la curva di equazione polare ρ=e−θ, con 0≤θ≤2π, scrivere l'equazione della retta tangente nel punto di arrivo (θ=2π). Poi trovare i punti in cui la tangente è orizzontale e quelli in cui è verticale.
(Fonte: esercizio 1 della raccolta del corso di Fondamenti di Analisi Matematica 2, Ing. Aerospaziale UniPD, 2025-26; la seconda domanda è un'estensione.)
Soluzione
Passo 1: parametrizzare. Una curva polare ρ=f(θ) è la curva r(θ)=(f(θ)cosθ,f(θ)sinθ). Qui f(θ)=e−θ:
r(θ)=(e−θcosθ,e−θsinθ).
Passo 2: derivare. Con la regola del prodotto e (e−θ)′=−e−θ:
x′(θ)=−e−θcosθ−e−θsinθ=−e−θ(cosθ+sinθ),y′(θ)=−e−θsinθ+e−θcosθ=e−θ(cosθ−sinθ).
La velocità scalare è ∣r′∣=f2+f′2=2e−θ>0: la curva è regolare, la tangente esiste ovunque.
Passo 3: punto e direzione in θ=2π. Poiché cos2π=1 e sin2π=0:
r(2π)=(e−2π,0),r′(2π)=e−2π(−1,1).
Passo 4: retta. La retta per (e−2π,0) con direzione (−1,1) è
(x,y)=(e−2π−λ,λ).
Sommando le due equazioni si elimina λ:
x+y=e−2π
(pendenza −1: la direzione (−1,1) ha y che cresce quando x diminuisce).
Tangente orizzontale e verticale
Orizzontale:y′(θ)=0, cioè cosθ=sinθ, quindi θ=4π e θ=45π in [0,2π] (l'esponenziale non si annulla mai, quindi basta annullare la parentesi). In questi punti x′=0 perché cosθ+sinθ=±2=0.
Verticale:x′(θ)=0, cioè cosθ+sinθ=0, tanθ=−1, quindi θ=43π e θ=47π. Lì y′=e−θ(cosθ−sinθ)=±2e−θ=0.
Grafico interattivo: Spirale logaritmica ρ = e^(−θ), θ da 0 a 2π, e tangente in θ = 2π: x + y = e^(−2π)
Controllo con la formula polare. La direzione della tangente forma con il raggio vettore un angolo costante (qui cotψ=f′/f=−1, cioè ψ=3π/4): è la proprietà della spirale logaritmica.
Errori tipici. Derivare solo ρ e dimenticare che anche cosθ e sinθ dipendono da θ; confondere il punto di tangenza (e−2π,0) (coordinate cartesiane) con il solo valore ρ(2π)=e−2π.