مواضيع المحاضرة: CalcII_ParametricEqns_PolarCoords
background image

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

CALCULUS   II 

Parametric Equations and Polar Coordinates 

 

Paul Dawkins 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Table of Contents 

 
Preface ............................................................................................................................................ ii

 

Parametric Equations and Polar Coordinates ............................................................................ 3

 

Introduction ................................................................................................................................................ 3

 

Parametric Equations and Curves .............................................................................................................. 5

 

Tangents with Parametric Equations .........................................................................................................25

 

Area with Parametric Equations ................................................................................................................32

 

Arc Length with Parametric Equations .....................................................................................................35

 

Surface Area with Parametric Equations...................................................................................................39

 

Polar Coordinates ......................................................................................................................................41

 

Tangents with Polar Coordinates ..............................................................................................................51

 

Area with Polar Coordinates .....................................................................................................................53

 

Arc Length with Polar Coordinates ...........................................................................................................60

 

Surface Area with Polar Coordinates ........................................................................................................62

 

Arc Length and Surface Area Revisited ....................................................................................................63

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

ii 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Preface 

 
Here are my online notes for my Calculus II course that I teach here at Lamar University.  
Despite the fact that these are my “class notes”, they should be accessible to anyone wanting to 
learn Calculus II or needing a refresher in some of the topics from the class.   
 
These notes do assume that the reader has a good working knowledge of Calculus I topics 
including limits, derivatives and basic integration and integration by substitution. 
 
Calculus II tends to be a very difficult course for many students.  There are many reasons for this.   
 
The first reason is that this course does require that you have a very good working knowledge of 
Calculus I.  The Calculus I portion of many of the problems tends to be skipped and left to the 
student to verify or fill in the details.  If you don’t have good Calculus I skills, and you are 
constantly getting stuck on the Calculus I portion of the problem, you will find this course very 
difficult to complete. 
 
The second, and probably larger, reason many students have difficulty with Calculus II is that you 
will be asked to truly think in this class.  That is not meant to insult anyone; it is simply an 
acknowledgment that you can’t just memorize a bunch of formulas and expect to pass the course 
as you can do in many math classes.  There are formulas in this class that you will need to know, 
but they tend to be fairly general.  You will need to understand them, how they work, and more 
importantly whether they can be used or not.  As an example, the first topic we will look at is 
Integration by Parts.  The integration by parts formula is very easy to remember.  However, just 
because you’ve got it memorized doesn’t mean that you can use it.  You’ll need to be able to look 
at an integral and realize that integration by parts can be used (which isn’t always obvious) and 
then decide which portions of the integral correspond to the parts in the formula (again, not 
always obvious). 
 
Finally, many of the problems in this course will have multiple solution techniques and so you’ll 
need to be able to identify all the possible techniques and then decide which will be the easiest 
technique to use. 
 
So, with all that out of the way let me also get a couple of warnings out of the way to my students 
who may be here to get a copy of what happened on a day that you missed.   
 

1.  Because I wanted to make this a fairly complete set of notes for anyone wanting to learn 

calculus I have included some material that I do not usually have time to cover in class 
and because this changes from semester to semester it is not noted here.  You will need to 
find one of your fellow class mates to see if there is something in these notes that wasn’t 
covered in class. 
 

2.  In general I try to work problems in class that are different from my notes.  However, 

with Calculus II many of the problems are difficult to make up on the spur of the moment 
and so in this class my class work will follow these notes fairly close as far as worked 
problems go.  With that being said I will, on occasion, work problems off the top of my 
head when I can to provide more examples than just those in my notes.  Also, I often 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

iii 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

don’t have time in class to work all of the problems in the notes and so you will find that 
some sections contain problems that weren’t worked in class due to time restrictions. 
 

3.  Sometimes questions in class will lead down paths that are not covered here.  I try to 

anticipate as many of the questions as possible in writing these up, but the reality is that I 
can’t anticipate all the questions.  Sometimes a very good question gets asked in class 
that leads to insights that I’ve not included here.  You should always talk to someone who 
was in class on the day you missed and compare these notes to their notes and see what 
the differences are. 
 

4.  This is somewhat related to the previous three items, but is important enough to merit its 

own item.  THESE NOTES ARE NOT A SUBSTITUTE FOR ATTENDING CLASS!!  
Using these notes as a substitute for class is liable to get you in trouble. As already noted 
not everything in these notes is covered in class and often material or insights not in these 
notes is covered in class. 

 
 

Parametric Equations and Polar Coordinates 

 

 

Introduction 

In this section we will be looking at parametric equations and polar coordinates. While the two 
subjects don’t appear to have that much in common on the surface we will see that several of the 
topics in polar coordinates can be done in terms of parametric equations and so in that sense they 
make a good match in this chapter 
 
We will also be looking at how to do many of the standard calculus topics such as tangents and 
area in terms of parametric equations and polar coordinates. 
 
Here is a list of topics that we’ll be covering in this chapter. 
 

Parametric Equations and Curves

 – An introduction to parametric equations and parametric 

curves (i.e. graphs of parametric equations) 
 

Tangents with Parametric Equations

 – Finding tangent lines to parametric curves. 

 

Area with Parametric Equations

 – Finding the area under a parametric curve. 

 

Arc Length with Parametric Equations

 – Determining the length of a parametric curve. 

 

Surface Area with Parametric Equations

 – Here we will determine the surface area of a solid 

obtained by rotating a parametric curve about an axis. 
 

Polar Coordinates

 – We’ll introduce polar coordinates in this section.  We’ll look at converting 

between polar coordinates and Cartesian coordinates as well as some basic graphs in polar 
coordinates. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Tangents with Polar Coordinates

 – Finding tangent lines of polar curves. 

 

Area with Polar Coordinates

 – Finding the area enclosed by a polar curve. 

 

Arc Length with Polar Coordinates

 – Determining the length of a polar curve. 

 

Surface Area with Polar Coordinates

 – Here we will determine the surface area of a solid 

obtained by rotating a polar curve about an axis. 
 

Arc Length and Surface Area Revisited

 – In this section we will summarize all the arc length 

and surface area formulas from the last two chapters. 
 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Parametric Equations and Curves 

To this point (in both Calculus I and Calculus II) we’ve looked almost exclusively at functions in 

the form 

( )

y

f x

=

 or 

( )

x

h y

=

 and almost all of the formulas that we’ve developed require 

that functions be in one of these two forms.  The problem is that not all curves or equations that 
we’d like to look at fall easily into this form.   
 
Take, for example, a circle.  It is easy enough to write down the equation of a circle centered at 
the origin with radius r

 

2

2

2

x

y

r

+

=  

 
However, we will never be able to write the equation of a circle down as a single equation in 
either of the forms above.  Sure we can solve for x or y as the following two formulas show 

 

2

2

2

2

y

r

x

x

r

y

= ±

= ±

 

but there are in fact two functions in each of these. Each formula gives a portion of the circle. 

 

( )

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

top

right side

bottom

left side

y

r

x

x

r

y

y

r

x

x

r

y

=

=

= −

= −

 

 
Unfortunately we usually are working on the whole circle, or simply can’t say that we’re going to 
be working only on one portion of it.  Even if we can narrow things down to only one of these 
portions the function is still often fairly unpleasant to work with. 
 
There are also a great many curves out there that we can’t even write down as a single equation in 
terms of only x and y.  So, to deal with some of these problems we introduce parametric 

equations.  Instead of defining y in terms of x (

( )

y

f x

=

) or x in terms of y (

( )

x

h y

=

) we 

define both x and y in terms of a third variable called a parameter as follows, 

 

( )

( )

x

f t

y

g t

=

=

 

 
This third variable is usually denoted by t (as we did here) but doesn’t have to be of course.  
Sometimes we will restrict the values of t that we’ll use and at other times we won’t.  This will 
often be dependent on the problem and just what we are attempting to do. 
 

Each value of t defines a point 

( )

( ) ( )

(

)

,

,

x y

f t

g t

=

 that we can plot.  The collection of points 

that we get by letting t be all possible values is the graph of the parametric equations and is called 
the parametric curve
 
To help visualize just what a parametric curve is pretend that we have a big tank of water that is 

in constant motion and we drop a ping pong ball into the tank.  The point 

( )

( ) ( )

(

)

,

,

x y

f t

g t

=

 

will then represent the location of the ping pong ball in the tank at time t and the parametric curve 
will be a trace of all the locations of the ping pong ball.  Note that this is not always a correct 
analogy but it is useful initially to help visualize just what a parametric curve is. 
 
Sketching a parametric curve is not always an easy thing to do.  Let’s take a look at an example to 
see one way of sketching a parametric curve.  This example will also illustrate why this method is 
usually not the best. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Example 1  

Sketch the parametric curve for the following set of parametric equations. 

 

2

2

1

x

t

t

y

t

= +

= −  

Solution 
At this point our only option for sketching a parametric curve is to pick values of t, plug them into 
the parametric equations and then plot the points.  So, let’s plug in some t’s. 
 

-2 

-5 

-1 

-3 

1
2

 

1
4

  -2 

-1 

 
The first question that should be asked at this point is, how did we know to use the values of t that 
we did, especially the third choice?  Unfortunately, there is no real answer to this question at this 
point.  We simply pick t’s until we are fairly confident that we’ve got a good idea of what the 
curve looks like.  It is this problem with picking “good” values of t that make this method of 
sketching parametric curves one of the poorer choices.  Sometimes we have no choice, but if we 
do have a choice we should avoid it.   
 
We’ll discuss an alternate graphing method in later examples that will help to explain how these 
values of t were chosen. 
 
We have one more idea to discuss before we actually sketch the curve.  Parametric curves have a 
direction of motion.  The direction of motion is given by increasing t.  So, when plotting 
parametric curves, we also include arrows that show the direction of motion.  We will often give 
the value of t that gave specific points on the graph as well to make it clear the value of t that 
gave that particular point. 
 
Here is the sketch of this parametric curve. 

 

 

So, it looks like we have a parabola that opens to the right.   
 
Before we end this example there is a somewhat important and subtle point that we need to 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

discuss first.  Notice that we made sure to include a portion of the sketch to the right of the points 
corresponding to 

2

t

= −

 and 

1

t

=

 to indicate that there are portions of the sketch there.  Had we 

simply stopped the sketch at those points we are indicating that there was no portion of the curve 
to the right of those points and there clearly will be.  We just didn’t compute any of those points. 
 
This may seem like an unimportant point, but as we’ll see in the next example it’s more important 
than we might think. 
 
Before addressing a much easier way to sketch this graph let’s first address the issue of limits on 
the parameter.  In the previous example we didn’t have any limits on the parameter.  Without 
limits on the parameter the graph will continue in both directions as shown in the sketch above.  
 
We will often have limits on the parameter however and this will affect the sketch of the 
parametric equations.  To see this effect let’s look a slight variation of the previous example. 
 

Example 2  

Sketch the parametric curve for the following set of parametric equations. 

 

2

2

1

1

1

x

t

t

y

t

t

= +

= −

− ≤ ≤  

Solution 
Note that the only difference here is the presence of the limits on t.  All these limits do is tell us 
that we can’t take any value of t outside of this range.  Therefore, the parametric curve will only 
be a portion of the curve above.  Here is the parametric curve for this example. 

 

 
Notice that with this sketch we started and stopped the sketch right on the points originating from 
the end points of the range of t’s.  Contrast this with the sketch in the previous example where we 
had a portion of the sketch to the right of the “start” and “end” points that we computed.  
 
In this case the curve starts at 

1

t

= −

 and ends at 

1

t

=

, whereas in the previous example the 

curve didn’t really start at the right most points that we computed.  We need to be clear in our 
sketches if the curve starts/ends right at a point, or if that point was simply the first/last one that 
we computed. 
 
It is now time to take a look at an easier method of sketching this parametric curve.  This method 
uses the fact that in many, but not all, cases we can actually eliminate the parameter from the 
parametric equations and get a function involving only x and y.  We will sometimes call this the 
algebraic equation to differentiate it from the original parametric equations.  There will be two 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

small problems with this method, but it will be easy to address those problems.  It is important to 
note however that we won’t always be able to do this. 
  
Just how we eliminate the parameter will depend upon the parametric equations that we’ve got.  
Let’s see how to eliminate the parameter for the set of parametric equations that we’ve been 
working with to this point. 
 
 

Example 3  

Eliminate the parameter from the following set of parametric equations. 

 

2

2

1

x

t

t

y

t

= +

= −  

Solution 
One of the easiest ways to eliminate the parameter is to simply solve one of the equations for the 
parameter (t, in this case) and substitute that into the other equation.  Note that while this may be 
the easiest to eliminate the parameter, it’s usually not the best way as we’ll see soon enough. 
  
In this case we can easily solve y for t

 

(

)

1

1

2

t

y

=

+

 

 
Plugging this into the equation for x gives the following algebraic equation, 

 

(

)

(

)

2

2

1

1

1

3

1

1

2

2

4

4

x

y

y

y

y

=

+

+

+ =

+ +

 

 
Sure enough from our Algebra knowledge we can see that this is a parabola that opens to the right 

and will have a vertex at 

(

)

1
4

, 2

− −

 
We won’t bother with a sketch for this one as we’ve already sketched this once and the point here 
was more to eliminate the parameter anyway. 
 
Before we leave this example let’s address one quick issue.   
 
In the first example we just, seemingly randomly, picked values of t to use in our table, especially 
the third value.  There really was no apparent reason for choosing 

1
2

t

= −

.  It is however 

probably the most important choice of t as it is the one that gives the vertex.   
 
The reality is that when writing this material up we actually did this problem first then went back 
and did the first problem.  Plotting points is generally the way most people first learn how to 
construct graphs and it does illustrate some important concepts, such as direction, so it made 
sense to do that first in the notes.  In practice however, this example is often done first. 
 
So, how did we get those values of t?  Well let’s start off with the vertex as that is probably the 
most important point on the graph.  We have the x and y coordinates of the vertex and we also 
have x and y parametric equations for those coordinates.  So, plug in the coordinates for the 
vertex into the parametric equations and solve for t.  Doing this gives, 
 

 

(

)

2

1

1

2

4

1
2

double root

2

2

1

t

t

t

t

t

= −

− = +

= −

− = −

  


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 
So, as we can see, the value of t that will give both of these coordinates is 

1
2

t

= −

.  Note that the 

x parametric equation gave a double root and this will often not happen.  Often we would have 
gotten two distinct roots from that equation.  In fact, it won’t be unusual to get multiple values of 
t from each of the equations.   
 
However, what we can say is that there will be a value(s) of t that occurs in both sets of solutions 
and that is the t that we want for that point.  We’ll eventually see an example where this happens 
in a later section. 
 
Now, from this work we can see that if we use 

1
2

t

= −

 we will get the vertex and so we included 

that value of t in the table in Example 1.  Once we had that value of t we chose two integer values 
of t on either side to finish out the table. 
 
As we will see in later examples in this section determining values of t that will give specific 
points is something that we’ll need to do on a fairly regular basis.  It is fairly simple however as 
this example has shown.  All we need to be able to do is solve a (usually) fairly basic equation 
which by this point in time shouldn’t be too difficult. 
 
Getting a sketch of the parametric curve once we’ve eliminated the parameter seems fairly 
simple.  All we need to do is graph the equation that we found by eliminating the parameter.  As 
noted already however, there are two small problems with this method.  The first is direction of 
motion.  The equation involving only x and y will NOT give the direction of motion of the 
parametric curve.  This is generally an easy problem to fix however.  Let’s take a quick look at 
the derivatives of the parametric equations from the last example.  They are, 
 

 

2

1

2

dx

t

dt

dy

dt

= +

=

  

 
Now, all we need to do is recall our Calculus I knowledge.  The derivative of y with respect to t is 
clearly always positive.  Recalling that one of the interpretations of the first derivative is rate of 
change we now know that as t increases y must also increase.  Therefore, we must be moving up 
the curve from bottom to top as t increases as that is the only direction that will always give an 
increasing y as t increases. 
 
Note that the x derivative isn’t as useful for this analysis as it will be both positive and negative 
and hence x will be both increasing and decreasing depending on the value of t.  That doesn’t help 
with direction much as following the curve in either direction will exhibit both increasing and 
decreasing x
 
In some cases, only one of the equations, such as this example, will give the direction while in 
other cases either one could be used.  It is also possible that, in some cases, both derivatives 
would be needed to determine direction.  It will always be dependent on the individual set of 
parametric equations. 
  
The second problem with eliminating the parameter is best illustrated in an example as we’ll be 
running into this problem in the remaining examples. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

10 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

  

Example 4  

Sketch the parametric curve for the following set of parametric equations.  Clearly 

indicate direction of motion. 

 

5 cos

2 sin

0

2

x

t

y

t

t

π

=

=

≤ ≤

 

Solution 
Before we proceed with eliminating the parameter for this problem let’s first address again why 
just picking t’s and plotting points is not really a good idea.   
 
Given the range of t’s in the problem statement let’s use the following set of t’s. 
 

2

π

 

π

 

-5 

3

2

π

 

-2 

2

π

  5 

 
The question that we need to ask now is do we have enough points to accurately sketch the graph 
of this set of parametric equations?  Below are some sketches of some possible graphs of the 
parametric equation based only on these five points. 
 
 

 

 

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

11 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 

 

 
Given the nature of sine/cosine you might be able to eliminate the diamond and the square but 
there is no denying that they are graphs that go through the given points.  The last graph is also a 
little silly but it does show a graph going through the given points. 
 
Again, given the nature of sine/cosine you can probably guess that the correct graph is the ellipse.  
However, that is all that would be at this point.  A guess.  Nothing actually says unequivocally 
that the parametric curve is an ellipse just from those five points.  That is the danger of sketching 
parametric curves based on a handful of points.  Unless we know what the graph will be ahead of 
time we are really just making a guess. 
 
So, in general, we should avoid plotting points to sketch parametric curves.  The best method, 
provided it can be done, is to eliminate the parameter.  As noted just prior to starting this example 
there is still a potential problem with eliminating the parameter that we’ll need to deal with. We 
will eventually discuss this issue.  For now, let’s just proceed with eliminating the parameter. 
 
We’ll start by eliminating the parameter as we did in the previous section.  We’ll solve one of the 
of the equations for t and plug this into the other equation.  For example, we could do the 
following, 
 

 

1

1

cos

2 sin cos

5

5

x

x

t

y

 

 

=

=

 

 

 

 

 

 
Can you see the problem with doing this?  This is definitely easy to do but we have a greater 
chance of correctly graphing the original parametric equations by plotting points than we do 
graphing this! 
  
There are many ways to eliminate the parameter from the parametric equations and solving for t 
is usually not the best way to do it.  While it is often easy to do we will, in most cases, end up 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

12 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

with an equation that is almost impossible to deal with. 
 
So, how can we eliminate the parameter here?  In this case all we need to do is recall a very nice 
trig identity and the equation of an ellipse.  Let’s notice that we could do the following here. 

 

2

2

2

2

2

2

25 cos

4 sin

cos

sin

1

25

4

25

4

x

y

t

t

t

t

+

=

+

=

+

=

 

 
Eliminating the middle steps gives the following algebraic equation, 

 

2

2

1

25

4

x

y

+

=

 

and so it looks like we’ve got an ellipse.  
 
Before proceeding with this example it should be noted that what we did was probably not all that 
obvious to most.  However, once it’s been done it does clearly work and so it’s a nice idea that we 
can use to eliminate the parameter from some parametric equations involving sines and cosines.  
It won’t always work and sometimes it will take a lot more manipulation of things than we did 
here. 
 
An alternate method that we could have used here was to solve the two parametric equations for 
sine and cosine as follows, 

 

cos

sin

5

2

x

y

t

t

=

=

 

 
Then, recall the trig identity we used above and these new equations we get, 
 

 

2

2

2

2

2

2

1

cos

sin

5

2

25

4

x

y

x

y

t

t

 

 

=

+

=

+

=

+

 

 

 

 

 

 
So, the same answer as the other method.  Which method you use will probably depend on which 
you find easier to use.  Both are perfectly valid and will get the same result. 
  
Now, let’s continue on with the example.  We’ve identified that the parametric equations describe 
an ellipse, but we can’t just sketch an ellipse and be done with it.   
 
First, just because the algebraic equation was an ellipse doesn’t actually mean that the parametric 
curve is the full ellipse.  It is always possible that the parametric curve is only a portion of the 
ellipse.  In order to identify just how much of the ellipse the parametric curve will cover let’s go 
back to the parametric equations and see what they tell us about any limits on x and y.  Based on 
our knowledge of sine and cosine we have the following, 
 

 

1 cos

1

5

5 cos

5

5

5

1 sin

1

2

2 sin

2

2

2

t

t

x

t

t

y

− ≤

− ≤

− ≤ ≤

− ≤

− ≤

− ≤ ≤

  

 
So, by starting with sine/cosine and “building up” the equation for x and y using basic algebraic 
manipulations we get that the parametric equations enforce the above limits on x and y.  In this 
case, these also happen to be the full limits on x and y we get by graphing the full ellipse.  
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

13 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

This is the second potential issue alluded to above.  The parametric curve may not always trace 
out the full graph of the algebraic curve.  We should always find limits on x and y enforced upon 
us by the parametric curve to determine just how much of the algebraic curve is actually sketched 
out by the parametric equations. 
 
Therefore, in this case, we now know that we get a full ellipse from the parametric equations.  
Before we proceed with the rest of the example be careful to not always just assume we will get 
the full graph of the algebraic equation.  There are definitely times when we will not get the full 
graph and we’ll need to do a similar analysis to determine just how much of the graph we actually 
get.  We’ll see an example of this later. 
 
Note as well that any limits on t given in the problem statement can also affect how much of the 
graph of the algebraic equation we get.  In this case however, based on the table of values we 
computed at the start of the problem we can see that we do indeed get the full ellipse in the range 

0

2

t

π

≤ ≤

.  That won’t always be the case however, so pay attention to any restrictions on t that 

might exist! 
 
Next, we need to determine a direction of motion for the parametric curve.  Recall that all 
parametric curves have a direction of motion and the equation of the ellipse simply tells us 
nothing about the direction of motion. 
 
To get the direction of motion it is tempting to just use the table of values we computed above to 
get the direction of motion.  In this case, we would guess (and yes that is all it is – a guess) that 
the curve traces out in a counter-clockwise direction.  We’d be correct.  In this case, we’d be 
correct!  The problem is that tables of values can be misleading when determining a direction of 
motion as we’ll see in the next example.  
 
Therefore, it is best to not use a table of values to determine the direction of motion.  To correctly 
determine the direction of motion we’ll use the same method of determining the direction that we 
discussed after Example 3.  In other words, we’ll take the derivative of the parametric equations 
and use our knowledge of Calculus I and trig to determine the direction of motion. 
 
The derivatives of the parametric equations are, 
 

5sin

2 cos

dx

dy

t

t

dt

dt

= −

=

 

 

Now, at 

0

t

=

 we are at the point 

( )

5, 0

 and let’s see what happens if we start increasing t.  Let’s 

increase t from 

0

t

=

 to 

2

t

π

=

.  In this range of t’s we know that sine is always positive and so 

from the derivative of the x equation we can see that x must be decreasing in this range of t’s.   
 
This, however, doesn’t really help us determine a direction for the parametric curve.  Starting at 

( )

5, 0

 no matter if we move in a clockwise or counter-clockwise direction x will have to decrease 

so we haven’t really learned anything from the x derivative. 
 
The derivative from the y parametric equation on the other hand will help us.  Again, as we 
increase t from  

0

t

=

 to 

2

t

π

=

 we know that cosine will be positive and so y must be increasing 

in this range.  That however, can only happen if we are moving in a counter-clockwise direction.  


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

14 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

If we were moving in a clockwise direction from the point 

( )

5, 0

 we can see that y would have to 

decrease! 
 
Therefore, in the first quadrant we must be moving in a counter-clockwise direction.  Let’s move 
on to the second quadrant. 
 

So, we are now at the point 

( )

0, 2

 and we will increase t from 

2

t

π

=

 to 

t

π

=

.  In this range of t 

we know that cosine will be negative and sine will be positive.  Therefore, from the derivatives of 
the parametric equations we can see that x is still decreasing and y will now be decreasing as well. 
 

In this quadrant the y derivative tells us nothing as y simply must decrease to move from 

( )

0, 2

.  

However, in order for x to decrease, as we know it does in this quadrant, the direction must still 
be moving a counter-clockwise rotation. 
 

We are now at 

(

)

5, 0

 and we will increase t from 

t

π

=

 to 

3

2

t

π

=

.  In this range of t we know 

that cosine is negative (and hence y will be decreasing) and sine is also negative (and hence x will 
be increasing).  Therefore, we will continue to move in a counter-clockwise motion. 
 

For the 4

th

 quadrant we will start at 

(

)

0, 2

 and increase t from 

3

2

t

π

=

 to 

2

t

π

=

.  In this range 

of t we know that cosine is positive (and hence y will be increasing) and sine is negative (and 
hence x will be increasing).  So, as in the previous three quadrants, we continue to move in a 
counter-clockwise motion. 
 
At this point we covered the range of t’s we were given in the problem statement and during the 
full range the motion was in a counter-clockwise direction. 
 
We can now fully sketch the parametric curve so, here is the sketch. 

 

 
Okay, that was a really long example.  Most of these types of problems aren’t as long.  We just 
had a lot to discuss in this one so we could get a couple of important ideas out of the way.  The 
rest of the examples in this section shouldn’t take as long to go through. 
 
Now, let’s take a look at another example that will illustrate an important idea about parametric 
equations. 
 

Example 5  

Sketch the parametric curve for the following set of parametric equations.  Clearly 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

15 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

indicate direction of motion. 

 

( )

( )

5 cos 3

2 sin 3

0

2

x

t

y

t

t

π

=

=

≤ ≤

 

Solution 
Note that the only difference in between these parametric equations and those in Example 4 is 
that we replaced the t with 3t.  We can eliminate the parameter here using either of the methods 
we discussed in the previous example.  In this case we’ll do the following, 
 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

25 cos

3

4 sin

3

cos

3

sin

3

1

25

4

25

4

t

t

x

y

t

t

+

=

+

=

+

=

 

 
So, we get the same ellipse that we did in the previous example.   Also note that we can do the 
same analysis on the parametric equations to determine that we have exactly the same limits on x 
and y.  Namely, 
 

5

5

2

2

x

y

− ≤ ≤

− ≤ ≤

 

 
It’s starting to look like changing the t into a 3t in the trig equations will not change the 
parametric curve in any way.  That is not correct however.  The curve does change in a small but 
important way which we will be discussing shortly. 
 
Before discussing that small change the 3t brings to the curve let’s discuss the direction of motion 
for this curve.  Despite the fact that we said in the last example that picking values of t and 
plugging in to the equations to find points to plot is a bad idea let’s do it any way. 
 
Given the range of t’s from the problem statement the following set looks like a good choice of 
t’s to use. 
 

2

π

 

-2 

π

 

-5 

3

2

π

 

2

π

  5 

 
So, the only change to this table of values/points from the last example is all the nonzero y values 
changed sign.  From a quick glance at the values in this table it would look like the curve, in this 
case, is moving in a clockwise direction.  But is that correct?  Recall we said that these tables of 
values can be misleading when used to determine direction and that’s why we don’t use them. 
 
Let’s see if our first impression is correct.  We can check our first impression by doing the 
derivative work to get the correct direction.  Let’s work with just the y parametric equation as the 
x will have the same issue that it had in the previous example.  The derivative of the y parametric 
equation is, 
 

( )

6 cos 3

dy

t

dt

=

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

16 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Now, if we start at 

0

t

=

 as we did in the previous example and start increasing t.  At 

0

t

=

 the 

derivative is clearly positive and so increasing t (at least initially) will force y to also be 
increasing.  The only way for this to happen is if the curve is in fact tracing out in a counter-
clockwise direction initially. 
 
Now, we could continue to look at what happens as we further increase t, but when dealing with a 
parametric curve that is a full ellipse (as this one is) and the argument of the trig functions is of 
the form nt for any constant n the direction will not change so once we know the initial direction 
we know that it will always move in that direction.  Note that this is only true for parametric 
equations in the form that we have here.  We’ll see in later examples that for different kinds of 
parametric equations this may no longer be true. 
 
Okay, from this analysis we can see that the curve must be traced out in a counter-clockwise 
direction.  This is directly counter to our guess from the tables of values above and so we can see 
that, in this case, the table would probably have led us to the wrong direction.  So, once again, 
tables are generally not very reliable for getting pretty much any real information about a 
parametric curve other than a few points that must be on the curve.  Outside of that the tables are 
rarely useful and will generally not be dealt with in further examples. 
 
So, why did our table give an incorrect impression about the direction?  Well recall that we 
mentioned earlier that the 3t will lead to a small but important change to the curve versus just a t?  
Let’s take a look at just what that change is as it will also answer what “went wrong” with our 
table of values. 
 

Let’s start by look at 

0

t

=

.  At 

0

t

=

 we are at the point 

( )

5, 0

 and let’s ask ourselves what 

values of t put us back at this point.  We saw in Example 3 how to determine value(s) of t that put 
us at certain points and the same process will work here with a minor modification. 
 
Instead of looking at both the x and y equations as we did in that example let’s just look at the x 
equation.  The reason for this is that we’ll note that there are two points on the ellipse that will 

have a y coordinate of zero, 

( )

5, 0

 and 

(

)

5, 0

.  If we set the y coordinate equal to zero we’ll 

find all the t’s that are at both of these points when we only want the values of t that are at 

( )

5, 0

 
So, because the x coordinate of five will only occur at this point we can simply use the x 
parametric equation to determine the values of t that will put us at this point.  Doing this gives the 
following equation and solution, 
 

 

( )

( )

1

2
3

5

5 cos 3

3

cos

1

0 2

0, 1, 2, 3,

t

t

n

t

n

n

π

π

=
=

= +

=

= ± ± ± 

  

 
Don’t forget that when solving a trig equation we need to add on the “

n

π

+

” where n represents 

the number of full revolutions in the counter-clockwise direction (positive n) and clockwise 
direction (negative n) that we rotate from the first solution to get all possible solutions to the 
equation.   
 
Now, let’s plug in a few values of n starting at 

0

n

=

.  We don’t need negative n in this case 

since all of those would result in negative t and those fall outside of the range of t’s we were 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

17 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

given in the problem statement.  The first few values of t are then, 
 

 

2

3

4

3

6

3

0

:

0

1

:

2

:

3

:

2

n

t

n

t

n

t

n

t

π

π

π

π

=

=

=

=

=

=

=

=

=

  

 
We can stop here as all further values of t will be outside the range of t’s given in this problem. 
 
So, what is this telling us?  Well back in Example 4 when the argument was just t the ellipse was 
traced out exactly once in the range 

0

2

t

π

≤ ≤

.  However, when we change the argument to 3t 

(and recalling that the curve will always be traced out in a counter-clockwise direction for this 

problem) we are going through the “starting” point of 

( )

5, 0

 two more times than we did in the 

previous example. 
 
In fact, this curve is tracing out three separate times.  The first trace is completed in the range 

2

3

0

t

π

≤ ≤

.  The second trace is completed in the range 

2

4

3

3

t

π

π

≤ ≤

 and the third and final trace 

is completed in the range 

4

3

2

t

π

π

≤ ≤

.  In other words, changing the argument from t to 3t 

increase the speed of the trace and the curve will now trace out three times in the range 

0

2

t

π

≤ ≤

!   

 
This is why the table gives the wrong impression.  The speed of the tracing has increased leading 
to an incorrect impression from the points in the table.  The table seems to suggest that between 
each pair of values of t a quarter of the ellipse is traced out in the clockwise direction when in 
reality it is tracing out three quarters of the ellipse in the counter-clockwise direction. 
 
Here’s a final sketch of the curve and note that it really isn’t all that different from the previous 
sketch.  The only differences are the values of t and the various points we included.  We did 
include a few more values of t at various points just to illustrate where the curve is at for various 
values of t but in general these really aren’t needed. 
 

 

 
So, we saw in the last two examples two sets of parametric equations that in some way gave the 
same graph.  Yet, because they traced out the graph a different number of times we really do need 
to think of them as different parametric curves at least in some manner.  This may seem like a 
difference that we don’t need to worry about, but as we will see in later sections this can be a very 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

18 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

important difference.  In some of the later sections we are going to need a curve that is traced out 
exactly once. 
 
Before we move on to other problems let’s briefly acknowledge what happens by changing the t 
to an nt in these kinds of parametric equations.  When we are dealing with parametric equations 
involving only sines and cosines and they both have the same argument if we change the 
argument from t to nt we simply change the speed with which the curve is traced out.  If 

1

n

>

 we 

will increase the speed and if 

1

n

<

 we will decrease the speed.   

 
Let’s take a look at a couple more examples. 
 

Example 6  

Sketch the parametric curve for the following set of parametric equations.  Clearly 

identify the direction of motion.  If the curve is traced out more than once give a range of the 
parameter for which the curve will trace out exactly once. 

 

2

sin

2 cos

x

t

y

t

=

=

 

Solution 
We can eliminate the parameter much as we did in the previous two examples.  However, we’ll 

need to note that the x already contains a 

2

sin t

 and so we won’t need to square the x.  We will 

however, need to square the y as we need in the previous two examples. 

 

2

2

2

2

sin

cos

1

1

4

4

y

y

x

t

t

x

+

=

+

=

= −

 

In this case the algebraic equation is a parabola that opens to the left.   
 
We will need to be very, very careful however in sketching this parametric curve.  We will NOT 
get the whole parabola.  A sketch of the algebraic form parabola will exist for all possible values 
of y.  However, the parametric equations have defined both x and y in terms of sine and cosine 
and we know that the ranges of these are limited and so we won’t get all possible values of x and 
y here.  So, first let’s get limits on x and y as we did in previous examples.  Doing this gives, 
 

 

2

1 sin

1

0

sin

1

0

1

1 cos

1

2

2 cos

2

2

2

t

t

x

t

t

y

− ≤

≤ ≤

− ≤

− ≤

− ≤ ≤

 

 
So, it is clear from this that we will only get a portion of the parabola that is defined by the 
algebraic equation.  Below is a quick sketch of the portion of the parabola that the parametric 
curve will cover. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

19 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 
To finish the sketch of the parametric curve we also need the direction of motion for the curve.  
Before we get to that however, let’s jump forward and determine the range of t’s for one trace.  
To do this we’ll need to know the t’s that put us at each end point and we can follow the same 
procedure we used in the previous example.  The only difference is this time let’s use the y 
parametric equation instead of the x because the y coordinates of the two end points of the curve 
are different whereas the x coordinates are the same. 
 
So, for the top point we have, 
 

 

( )

1

2

2 cos

cos

1

0 2

2

,

0, 1, 2, 3,

t

t

n

n

n

π

π

=
=

= +

=

= ± ± ± 

  

 
For, plugging in some values of n we get that the curve will be at the top point at, 
 
 

, 4 , 2 , 0, 2 , 4 ,

t

π

π

π π

=

  

 
Similarly, for the bottom point we have, 
 

 

( )

1

2

2 cos

cos

1

2

,

0, 1, 2, 3,

t

t

n

n

π

π

− =

=

− = +

= ± ± ± 

  

 
So, we see that we will be at the bottom point at, 
 
 

, 3 ,

, , 3 ,

t

π π π π

=

  

 
So, if we start at say, 

0

t

=

, we are at the top point and we increase t we have to move along the 

curve downwards until we reach 

t

π

=

at which point we are now at the bottom point.  This 

means that we will trace out the curve exactly once in the range 

0

t

π

≤ ≤

 
This is not the only range that will trace out the curve however.  Note that if we further increase t 
from 

t

π

=

 we will now have to travel back up the curve until we reach 

2

t

π

=

 and we are now 

back at the top point.  Increasing t again until we reach 

3

t

π

=

 will take us back down the curve 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

20 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

until we reach the bottom point again, etc.  From this analysis we can get two more ranges of t for 
one trace, 
 
 

2

2

3

t

t

π

π

π

π

≤ ≤

≤ ≤

  

 
As you can probably see there are an infinite number of ranges of t we could use for one trace of 
the curve.  Any of them would be acceptable answers for this problem. 
   
Note that in the process of determining a range of t’s for one trace we also managed to determine 
the direction of motion for this curve.  In the range 

0

t

π

≤ ≤

 we had to travel downwards along 

the curve to get from the top point at 

0

t

=

 to the bottom point at 

t

π

=

.  However, at 

2

t

π

=

 we 

are back at the top point on the curve and to get there we must travel along the path.  We can’t 
just jump back up to the top point or take a different path to get there.  All travel must be done on 
the path sketched out.  This means that we had to go back up the path.  Further increasing t takes 
us back down the path, then up the path again etc
 
In other words, this path is sketched out in both directions because we are not putting any 
restrictions on the t’s and so we have to assume we are using all possible values of t.  If we had 
put restrictions on which t’s to use we might really have ended up only moving in one direction.  
That however would be a result only of the range of t’s we are using and not the parametric 
equations themselves. 
 
Note that we didn’t really need to do the above work to determine that the curve traces out in both 
directions.in this case.  Both the x and y parametric equations involve sine or cosine and we know 
both of those functions oscillate.  This, in turn means that both x and y will oscillate as well.  The 
only way for that to happen on  this particular this curve will be for the curve to be traced out in 
both directions. 
 
Be careful with the above reasoning that the oscillatory nature of sine/cosine forces the curve to 
be traced out in both directions.  It can only be used in this example because the “starting” point 
and “ending” point of the curves are in different places.  The only way to get from one of the 
“end” points on the curve to the other is to travel back along the curve in the opposite direction. 
 
Contrast this with the ellipse in Example 4.  In that case we had sine/cosine in the parametric 
equations as well.  However, the curve only traced out in one direction, not in both directions.  In 
Example 4 we were graphing the full ellipse and so no matter where we start sketching the graph 
we will eventually get back to the “starting” point without ever retracing any portion of the graph.  
In Example 4 as we trace out the full ellipse both x and y do in fact oscillate between their two 
“endpoints” but the curve itself does not trace out in both directions for this to happen. 
 
Basically, we can only use the oscillatory nature of sine/cosine to determine that the curve traces 
out in both directions if the curve starts and ends at different points.  If the starting/ending point is 
the same then we generally need to go through the full derivative argument to determine the 
actual direction of motion. 
 
So, to finish this problem out, below is a sketch of the parametric curve.  Note that we put 
direction arrows in both directions to clearly indicate that it would be traced out in both 
directions.  We also put in a few values of t just to help illustrate the direction of motion. 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

21 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 
To this point we’ve seen examples that would trace out the complete graph that we got by 
eliminating the parameter if we took a large enough range of t’s.  However, in the previous 
example we’ve now seen that this will not always be the case.  It is more than possible to have a 
set of parametric equations which will continuously trace out just a portion of the curve.  We can 
usually determine if this will happen by looking for limits on x and y that are imposed up us by 
the parametric equation. 
 
We will often use parametric equations to describe the path of an object or particle.  Let’s take a 
look at an example of that. 
 
 

Example 7  

The path of a particle is given by the following set of parametric equations. 

 

( )

( )

2

3cos 2

1 cos

2

x

t

y

t

=

= +

 

Completely describe the path of this particle.  Do this by sketching the path, determining limits on 
x and y and giving a range of t’s for which the path will be traced out exactly once (provide it 
traces out more than once of course). 
 
Solution 
Eliminating the parameter this time will be a little different.  We only have cosines this time and 
we’ll use that to our advantage.  We can solve the x equation for cosine and plug that into the 
equation for y.  This gives, 

 

( )

2

2

cos 2

1

1

3

3

9

x

x

x

t

y

 

=

= +

= +

 

 

 

 
This time the algebraic equation is a parabola that opens upward.  We also have the following 
limits on x and y

 

( )

( )

( )

( )

2

2

1 cos 2

1

3

3cos 2

3

3

3

0

cos

2

1

1 1 cos

2

2

1

2

t

t

x

t

t

y

− ≤

− ≤

− ≤ ≤

≤ +

≤ ≤

 

 
So, again we only trace out a portion of the curve.  Here is a quick sketch of the portion of the 
parabola that the parametric curve will cover. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

22 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 

 
Now, as we discussed in the previous example because both the x and y parametric equations 
involve cosine we know that both x and y must oscillate and because the “start” and “end” points 
of the curve are not the same the only way x and y can oscillate is for the curve to trace out in 
both directions. 
 
To finish the problem then all we need to do is determine a range of t’s for one trace.  Because the 
“end” points on the curve have the same y value and different x values we can use the x 
parametric equation to determine these values.  Here is that work. 
 

( )

( )

3 :

3

3cos 2

1

cos 2

2

0 2

0, 1, 2, 3,

x

t

t

t

n

t

n

n

π

π

=

=

=

= +

=

= ± ± ± 

  

 

( )

( )

1
2

3 :

3

3cos 2

1

cos 2

2

2

0, 1, 2, 3,

x

t

t

t

n

t

n

n

π

π

π π

= −

− =
− =

= +

=

+

= ± ± ± 

  

 
So, we will be at the right end point at 

, 2 ,

, 0, , 2 ,

t

π π

π π

=

  and we’ll be at the left end 

point at 

3

3

1

1

2

2

2

2

,

,

,

,

,

t

π

π π π

=

 .  So, in this case there are an infinite number of ranges of 

t’s for one trace.  Here are a few of them. 
 
 

1

1

1

2

2

2

0

0

t

t

t

π

π

π

π

≤ ≤

≤ ≤

≤ ≤

  

 
Here is a final sketch of the particle’s path with a few value of t on it. 

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

23 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

We should give a small warning at this point.  Because of the ideas involved in them we 
concentrated on parametric curves that retraced portions of the curve more than once.  Do not, 
however, get too locked into the idea that this will always happen.  Many, if not most parametric 
curves will only trace out once.  The first one we looked at is a good example of this.  That 
parametric curve will never repeat any portion of itself. 
 
There is one final topic to be discussed in this section before moving on.  So far we’ve started 
with parametric equations and eliminated the parameter to determine the parametric curve. 
 
However, there are times in which we want to go the other way.  Given a function or equation we 
might want to write down a set of parametric equations for it.  In these cases we say that we 
parameterize the function. 
 
If we take Examples 4 and 5 as examples we can do this for ellipses (and hence circles).  Given 
the ellipse  

 

2

2

2

2

1

x

y

a

b

+

=  

a set of parametric equations for it would be, 

cos

sin

x

a

t

y

b

t

=

=

 

 

This set of parametric equations will trace out the ellipse starting at the point 

( )

, 0

a

 and will trace 

in a counter-clockwise direction and will trace out exactly once in the range 

0

2

t

π

≤ ≤

.  This is 

a fairly important set of parametric equations as it used continually in some subjects with dealing 
with ellipses and/or circles. 
 
Every curve can be parameterized in more than one way.  Any of the following will also 
parameterize the same ellipse. 
 

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

cos

sin

sin

cos

cos

sin

x

a

t

y

b

t

x

a

t

y

b

t

x

a

t

y

b

t

ω

ω

ω

ω

ω

ω

=

=

=

=

=

= −

 

The presence of the 

ω

 will change the speed that the ellipse rotates as we saw in Example 5.  

Note as well that the last two will trace out ellipses with a clockwise direction of motion (you 
might want to verify this).  Also note that they won’t all start at the same place (if we think of 

0

t

=

 as the starting point that is). 

 
There are many more parameterizations of an ellipse of course, but you get the idea.  It is 
important to remember that each parameterization will trace out the curve once with a potentially 
different range of t’s.  Each parameterization may rotate with different directions of motion and 
may start at different points.   
 
You may find that you need a parameterization of an ellipse that starts at a particular place and 
has a particular direction of motion and so you now know that with some work you can write 
down a set of parametric equations that will give you the behavior that you’re after. 
 
Now, let’s write down a couple of other important parameterizations and all the comments about 
direction of motion, starting point, and range of t’s for one trace (if applicable) are still true. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

24 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 
First, because a circle is nothing more than a special case of an ellipse we can use the 
parameterization of an ellipse to get the parametric equations for a circle centered at the origin of 
radius r as well.  One possible way to parameterize a circle is, 

 
 

cos

sin

x

r

t

y

r

t

=

=

 

 
Finally, even though there may not seem to be any reason to, we can also parameterize functions 

in the form 

( )

y

f x

=

 or 

( )

x

h y

=

.  In these cases we parameterize them in the following way, 

 

( )

( )

x

t

x

h t

y

f t

y

t

=

=

=

=

 

 
At this point it may not seem all that useful to do a parameterization of a function like this, but 
there are many instances where it will actually be easier, or it may even be required, to work with 
the parameterization instead of the function itself.  Unfortunately, almost all of these instances 
occur in a Calculus III course. 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

25 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Tangents with Parametric Equations 

In this section we want to find the tangent lines to the parametric equations given by, 

 

( )

( )

x

f t

y

g t

=

=

 

 

To do this let’s first recall how to find the tangent line to 

( )

y

F x

=

 at 

x

a

=

.  Here the tangent 

line is given by, 

 

( )

(

)

( )

,   where   

x a

dy

y

F a

m x a

m

F a

dx

=

=

+

=

=

 

 

Now, notice that if we could figure out how to get the derivative 

dy

dx

 from the parametric 

equations we could simply reuse this formula since we will be able to use the parametric 
equations to find the x and y coordinates of the point. 
 
So, just for a second let’s suppose that we were able to eliminate the parameter from the 

parametric form and write the parametric equations in the form 

( )

y

F x

=

.  Now, plug the 

parametric equations in for x and y.  Yes, it seems silly to eliminate the parameter, then 
immediately put it back in, but it’s what we need to do in order to get our hands on the derivative.  
Doing this gives, 

 

( )

( )

(

)

g t

F f t

=

 

 
Now, differentiate with respect to t and notice that we’ll need to use the Chain Rule on the right 
hand side. 

 

( )

( )

(

)

( )

g t

F

f t

f

t

=

 

 
Let’s do another change in notation.  We need to be careful with our derivatives here.  
Derivatives of the lower case function are with respect to t while derivatives of upper case 
functions are with respect to x.  So, to make sure that we keep this straight let’s rewrite things as 
follows. 

 

( )

dy

dx

F x

dt

dt

=

 

 

At this point we should remind ourselves just what we are after.  We needed a formula for 

dy

dx

 or 

( )

F x

 that is in terms of the parametric formulas.  Notice however that we can get that from the 

above equation. 
 

,     provided    

0

dy

dy

dx

dt

dx

dx

dt

dt

=

 

 

 

Notice as well that this will be a function of t and not x


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

26 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 
As an aside, notice that we could also get the following formula with a similar derivation if we 
needed to, 
 
Derivative for Parametric E  quations 

,     provided    

0

dx

dx

dy

dt

dy

dy

dt

dt

=

 

 

 

Why would we want to do this?  Well, recall that in the 

arc length

 section of the Applications of 

Integral section we actually needed this derivative on occasion. 
 
So, let’s find a tangent line. 
 

Example 1  

Find the tangent line(s) to the parametric curve given by 

 

5

3

2

4

x

t

t

y

t

= −

=  

at (0,4). 
 
Solution 
Note that there is apparently the potential for more than one tangent line here!  We will look into 
this more after we’re done with the example. 
 
The first thing that we should do is find the derivative so we can get the slope of the tangent line. 

 

4

2

3

2

2

5

12

5

12

dy

dy

t

dt

dx

dx

t

t

t

t

dt

=

=

=

 

 
At this point we’ve got a small problem.  The derivative is in terms of t and all we’ve got is an x-y 
coordinate pair.  The next step then is to determine the value(s) of t which will give this point.  
We find these by plugging the x and y values into the parametric equations and solving for t
 

 

(

)

5

3

3

2

2

0

4

4

0, 2

4

2

t

t

t

t

t

t

t

= −

=

= ±

=

= ±

 

 
Any value of t which appears in both lists will give the point.  So, since there are two values of t 
that give the point we will in fact get two tangent lines.  That’s definitely not something that 
happened back in Calculus I and we’re going to need to look into this a little more.  However, 
before we do that let’s actually get the tangent lines. 
 
t  = –2   
Since we already know the x and y-coordinates of the point all that we need to do is find the slope 
of the tangent line. 

 

2

1

8

t

dy

m

dx

=−

=

= −  


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

27 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

The tangent line (at t  = –2) is then, 

 

1

4

8

y

x

= −

 

 
t  = 
Again, all we need is the slope. 

 

2

1

8

t

dy

m

dx

=

=

=  

The tangent line (at t = 2) is then, 

 

1

4

8

y

x

= +

 

 
Now, let’s take a look at just how we could possibly get two tangents lines at a point.  This was 
definitely not possible back in Calculus I where we first ran across tangent lines. 
 
A quick graph of the parametric curve will explain what is going on here. 

 

 
So, the parametric curve crosses itself!  That explains how there can be more than one tangent 
line.  There is one tangent line for each instance that the curve goes through the point. 
 
The next topic that we need to discuss in this section is that of horizontal and vertical tangents.  
We can easily identify where these will occur (or at least the t’s that will give them) by looking at 
the derivative formula. 

 

dy

dy

dt

dx

dx

dt

=

 

 
Horizontal tangents will occur where the derivative is zero and that means that we’ll get 
horizontal tangent at values of t for which we have, 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

28 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Horizontal Tangent for Parametric Equations 

0,    provided   

0

dy

dx

dt

dt

=

 

 
Vertical tangents will occur where the derivative is not defined and so we’ll get vertical tangents 
at values of t for which we have, 
 
Vertical Tangent for Parametric Equations 

0,    provided   

0

dx

dy

dt

dt

=

 

 

Let’s take a quick look at an example of this. 
 

Example 2  

Determine the x-y coordinates of the points where the following parametric 

equations will have horizontal or vertical tangents. 

 

3

2

3

3

9

x

t

t

y

t

= −

=

−  

 
Solution 
We’ll first need the derivatives of the parametric equations. 

 

(

)

2

2

3

3

3

1

6

dx

dy

t

t

t

dt

dt

=

− =

=  

 
Horizontal Tangents 
We’ll have horizontal tangents where, 

 

6

0

0

t

t

=

=

 

 
Now, this is the value of t which gives the horizontal tangents and we were asked to find the x-y 
coordinates of the point.  To get these we just need to plug t into the parametric equations.  
Therefore, the only horizontal tangent will occur at the point (0,-9). 
 
Vertical Tangents 
In this case we need to solve, 

 

(

)

2

3

1

0

1

t

t

− =

= ±

 

 
The two vertical tangents will occur at the points (2,-6) and (-2,-6). 
 
For the sake of completeness and at least partial verification here is the sketch of the parametric 
curve. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

29 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 
The final topic that we need to discuss in this section really isn’t related to tangent lines, but does 
fit in nicely with the derivation of the derivative that we needed to get the slope of the tangent 
line. 
 
Before moving into the new topic let’s first remind ourselves of the formula for the first 
derivative and in the process rewrite it slightly. 
 

 

( )

( )

d

y

dy

d

dt

y

dx

dx

dx

dt

=

=

 

 
Written in this way we can see that the formula actually tells us how to differentiate a function y 
(as a function of t) with respect to x (when x is also a function of t) when we are using parametric 
equations. 
 
Now let’s move onto the final topic of this section.  We would also like to know how to get the 
second derivative of y with respect to x

 

2

2

d y

dx

 

 
Getting a formula for this is fairly simple if we remember the rewritten formula for the first 
derivative above. 
 
 
Second Derivative for Parametric Equations 

2

2

d

dy

d y

d

dy

dt dx

dx

dx

dx dx

dt

=

=

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

30 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Note that, 

 

2

2

2

2

2

2

d y

d y

dt

d x

dx

dt

 

 
Let’s work a quick example. 
 

Example 3  

Find the second derivative for the following set of parametric equations. 

5

3

2

4

x

t

t

y

t

= −

=

 

Solution 
This is the set of parametric equations that we used in the first example and so we already have 
the following computations completed. 

 

4

2

3

2

2

5

12

5

12

dy

dx

dy

t

t

t

dt

dt

dx

t

t

=

=

=

 

 
We will first need the following, 

 

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

3

3

3

2 15

12

2

24 30

5

12

5

12

5

12

t

d

t

dt

t

t

t

t

t

t

 =

=

 

 
The second derivative is then, 

 

(

)

(

)(

)

(

)

2

2

2

2

3

4

2

2

2

4

2

3

2

3

3

24 30

5

12

5

12

24 30

5

12

5

12

24 30

5

12

d

dy

d y

dt dx

dx

dx

dt

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

=

=

=

=

 

 
So, why would we want the second derivative?  Well, recall from your Calculus I class that with 
the second derivative we can determine where a curve is concave up and concave down.  We 
could do the same thing with parametric equations if we wanted to. 
 
 
 
 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

31 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 4  

Determine the values of t for which the parametric curve given by the following set 

of parametric equations is concave up and concave down. 

 

2

7

5

1

x

t

y

t

t

= −

= +  

Solution 
To compute the second derivative we’ll first need the following. 

 

(

)

6

4

6

4

5

3

7

5

1

7

5

2

7

5

2

2

dy

dx

dy

t

t

t

t

t

t

t

dt

dt

dx

t

+

=

+

= −

=

= −

+

 

 
Note that we can also use the first derivative above to get some information about the 
increasing/decreasing nature of the curve as well.  In this case it looks like the parametric curve 
will be increasing if 

0

t

<

 and decreasing if 

0

t

>

 
Now let’s move on to the second derivative. 

 

(

)

(

)

4

2

2

3

2

1

35

15

1

2

35

15

2

4

t

t

d y

t

t

dx

t

+

=

=

+

 

 
It’s clear, hopefully, that the second derivative will only be zero at 

0

t

=

.  Using this we can see 

that the second derivative will be negative if 

0

t

<

 and positive if 

0

t

>

.  So the parametric curve 

will be concave down for 

0

t

<

 and concave up for 

0

t

>

 
Here is a sketch of the curve for completeness sake. 

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

32 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Area with Parametric Equations 

In this section we will find a formula for determining the area under a parametric curve given by 
the parametric equations, 

 

( )

( )

x

f t

y

g t

=

=

 

 
We will also need to further add in the assumption that the curve is traced out exactly once as t 
increases from 

α

 to 

β

 
We will do this in much the same way that we found the first derivative in the previous section.  

We will first recall how to find the area under 

( )

y

F x

=

 on 

a

x

b

≤ ≤

 

( )

b

a

A

F x dx

=

 

 

We will now think of the parametric equation 

( )

x

f t

=

 as a substitution in the integral.  We will 

also assume that 

( )

a

f

α

=

 and 

( )

b

f

β

=

 for the purposes of this formula.  There is actually no 

reason to assume that this will always be the case and so we’ll give a corresponding formula later 

if it’s the opposite case (

( )

b

f

α

=

 and 

( )

a

f

β

=

).   

 
So, if this is going to be a substitution we’ll need, 

 

( )

dx

f

t dt

=

 

 
Plugging this into the area formula above and making sure to change the limits to their 
corresponding t values gives us, 

 

( )

(

)

( )

A

F f t

f

t dt

β

α

=

 

 
Since we don’t know what F(x) is we’ll use the fact that  

 

( )

( )

(

)

( )

y

F x

F f t

g t

=

=

=

 

and we arrive at the formula that we want. 
 
Area Under Parametric Curve, Formula I 

( ) ( )

A

g t f

t dt

β

α

=

 

 

Now, if we should happen to have 

( )

b

f

α

=

 and 

( )

a

f

β

=

 the formula would be, 

 
Area Under Parametric Curve, Formula II 

( ) ( )

A

g t f

t dt

α

β

=

 

 
Let’s work an example. 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

33 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 1  

Determine the area under the parametric curve given by the following parametric 

equations. 

 

(

)

(

)

6

sin

6 1 cos

0

2

x

y

θ

θ

θ

θ

π

=

=

≤ ≤

 

 
Solution 
First, notice that we’ve switched the parameter to 

θ

  for this problem.  This is to make sure that 

we don’t get too locked into always having t as the parameter. 
 
Now, we could graph this to verify that the curve is traced out exactly once for the given range if 
we wanted to.  We are going to be looking at this curve in more detail after this example so we 
won’t sketch its graph here. 
 
There really isn’t too much to this example other than plugging the parametric equations into the 
formula.  We’ll first need the derivative of the parametric equation for x however. 

 

(

)

6 1 cos

dx

d

θ

θ

=

 

 
The area is then, 

 

(

)

( )

( )

2

2

0

2

2

0

2

0

2

0

36 1 cos

36

1 2 cos

cos

3

1

36

2 cos

cos 2

2

2

3

1

36

2 sin

sin 2

2

4

108

A

d

d

d

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

π

=

=

+

=

+

=

+

=

 

 
The parametric curve (without the limits) we used in the previous example is called a cycloid.  In 
its general form the cycloid is, 
 

 

(

)

(

)

sin

1 cos

x

r

y

r

θ

θ

θ

=

=

 

 
The cycloid represents the following situation. Consider a wheel of radius r.  Let the point where 
the wheel touches the ground initially be called P.  Then start rolling the wheel to the right.  As 
the wheel rolls to the right trace out the path of the point P.  The path that the point P traces out is 
called a cycloid and is given by the equations above.  In these equations we can think of 

θ

 as the 

angle through which the point P has rotated. 
 
Here is a cycloid sketched out with the wheel shown at various places.  The blue dot is the point 
P on the wheel that we’re using to trace out the curve. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

34 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 

From this sketch we can see that one arch of the cycloid is traced out in the range 

0

2

θ

π

≤ ≤

.  

This makes sense when you consider that the point P will be back on the ground after it has 
rotated through an angle of 2

π

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

35 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Arc Length with Parametric Equations 

In the previous two sections we’ve looked at a couple of Calculus I topics in terms of parametric 
equations.  We now need to look at a couple of Calculus II topics in terms of parametric 
equations.   
 
In this section we will look at the arc length of the parametric curve given by, 

 

( )

( )

x

f t

y

g t

t

α

β

=

=

≤ ≤  

 
We will also be assuming that the curve is traced out exactly once as t increases from 

α

 to 

β

.  We 

will also need to assume that the curve is traced out from left to right as t increases.  This is 
equivalent to saying, 
 

 

0

for  

dx

t

dt

α

β

≤ ≤

 

 
So, let’s start out the derivation by recalling the arc length formula as we first derived it in the 

arc 

length

 section of the Applications of Integrals chapter. 

 

L

ds

=

 

where, 

 

( )

( )

2

2

1

if ,

1

if ,

dy

ds

dx

y

f x

a

x

b

dx

dx

ds

dy

x

h y

c

y

d

dy

=

+

=

≤ ≤

=

+

=

≤ ≤

 

 
We will use the first ds above because we have a nice formula for the derivative in terms of the 
parametric equations (see the 

Tangents with Parametric Equations

 section).  To use this we’ll also 

need to know that, 

 

( )

dx

dx

f

t dt

dt

dt

=

=

 

 
The arc length formula then becomes, 

 

2

2

2

1

1

dy

dy

dx

dx

dt

dt

L

dt

dt

dx

dt

dt

dx

dt

dt

β

β

α

α

=

+

=

+

 

 
This is a particularly unpleasant formula.  However, if we factor out the denominator from the 
square root we arrive at, 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

36 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

2

2

1

dx

dy

dx

L

dt

dx

dt

dt

dt

dt

β

α

=

+

 

 
Now, making use of our assumption that the curve is being traced out from left to right we can 
drop the absolute value bars on the derivative which will allow us to cancel the two derivatives 
that are outside the square root and this gives, 
 
Arc Length for Parametric Equations 

2

2

dx

dy

L

dt

dt

dt

β

α

=

+

 

 
Notice that we could have used the second formula for ds above if we had assumed instead that  

 

0

for  

dy

t

dt

α

β

≤ ≤

 

If we had gone this route in the derivation we would have gotten the same formula. 
 
Let’s take a look at an example. 
 

Example 1  

Determine the length of the parametric curve given by the following parametric 

equations. 

 

( )

( )

3sin

3cos

0

2

x

t

y

t

t

π

=

=

≤ ≤

 

Solution 
We know that this is a circle of radius 3 centered at the origin from our 

prior discussion

 about 

graphing parametric curves.  We also know from this discussion that it will be traced out exactly 
once in this range. 
 
So, we can use the formula we derived above.  We’ll first need the following, 

 

( )

( )

3cos

3sin

dx

dy

t

t

dt

dt

=

= −

 

 
The length is then, 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

0

2

2

2

0

2

0

9 sin

9 cos

3 sin

cos

3

6

L

t

t dt

t

t dt

dt

π

π

π

π

=

+

=

+

=

=


 

 
Since this is a circle we could have just used the fact that the length of the circle is just the 
circumference of the circle.  This is a nice way, in this case, to verify our result. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

37 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Let’s take a look at one possible consequence if a curve is traced out more than once and we try 
to find the length of the curve without taking this into account. 
 

Example 2  

Use the arc length formula for the following parametric equations. 

 

( )

( )

3sin 3

3cos 3

0

2

x

t

y

t

t

π

=

=

≤ ≤

 

Solution 
Notice that this is the identical circle that we had in the previous example and so the length is still 
6

π

.  However, for the range given we know it will trace out the curve three times instead once as 

required for the formula.  Despite that restriction let’s use the formula anyway and see what 
happens. 
 
In this case the derivatives are, 

 

( )

( )

9 cos 3

9 sin 3

dx

dy

t

t

dt

dt

=

= −

 

and the length formula gives, 

 

( )

( )

2

2

2

0

2

0

81sin

3

81cos

3

9

18

L

t

t dt

dt

π

π

π

=

+

=

=


 

 
The answer we got form the arc length formula in this example was 3 times the actual length.  
Recalling that we also determined that this circle would trace out three times in the range given, 
the answer should make some sense. 
 
If we had wanted to determine the length of the circle for this set of parametric equations we 
would need to determine a range of t for which this circle is traced out exactly once.  This 
is,

2

3

0

t

π

≤ ≤

.  Using this range of t we get the following for the length. 

 

( )

( )

2

2

2

3

0

2

3

0

81sin

3

81cos

3

9

6

L

t

t dt

dt

π

π

π

=

+

=

=


 

which is the correct answer. 
 
Be careful to not make the assumption that this is always what will happen if the curve is traced 
out more than once.  Just because the curve traces out n times does not mean that the arc length 
formula will give us n times the actual length of the curve! 
 
Before moving on to the next section let’s notice that we can put the arc length formula derived in 
this section into the same form that we had when we first looked at arc length.  The only 
difference is that we will add in a definition for ds when we have parametric equations. 
 
The arc length formula can be summarized as, 
 

 

L

ds

=

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

38 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

where, 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

1

if ,

1

if ,

if ,

,

dy

ds

dx

y

f x

a

x

b

dx

dx

ds

dy

x

h y

c

y

d

dy

dx

dy

ds

dt

x

f t

y

g t

t

dt

dt

α

β

=

+

=

≤ ≤

=

+

=

≤ ≤

=

+

=

=

≤ ≤

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

39 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Surface Area with Parametric Equations 

In this final section of looking at calculus applications with parametric equations we will take a 
look at determining the surface area of a region obtained by rotating a parametric curve about the 
x or y-axis. 
 
We will rotate the parametric curve given by, 

( )

( )

x

f t

y

g t

t

α

β

=

=

≤ ≤

 

about the x or y-axis.  We are going to assume that the curve is traced out exactly once as t 
increases from 

α

 to 

β

.  At this point there actually isn’t all that much to do.  We know that the 

surface area can be found by using one of the following two formulas depending on the axis of 
rotation (recall the 

Surface Area

 section of the Applications of Integrals chapter). 

 

2

rotation about 

axis

2

rotation about 

axis

S

y ds

x

S

x ds

y

π

π

=

=


 

 
All that we need is a formula for ds to use and from the previous section we have, 
 

( )

( )

2

2

if ,

,

dx

dy

ds

dt

x

f t

y

g t

t

dt

dt

α

β

=

+

=

=

≤ ≤

 

 
which is exactly what we need. 
 
We will need to be careful with the x or y that is in the original surface area formula.  Back when 
we first looked at surface area we saw that sometimes we had to substitute for the variable in the 
integral and at other times we didn’t.  This was dependent upon the ds that we used.  In this case 
however, we will always have to substitute for the variable.  The ds that we use for parametric 
equations introduces a dt into the integral and that means that everything needs to be in terms of t.  
Therefore, we will need to substitute the appropriate parametric equation for x or y depending on 
the axis of rotation. 
 
Let’s take a quick look at an example. 
 

Example 1  

Determine the surface area of the solid obtained by rotating the following 

parametric curve about the x-axis. 

 

3

3

cos

sin

0

2

x

y

π

θ

θ

θ

=

=

≤ ≤

 

Solution 
We’ll first need the derivatives of the parametric equations. 

 

2

2

3cos

sin

3sin

cos

dx

dy

dt

dt

θ

θ

θ

θ

= −

=

 

 
Before plugging into the surface area formula let’s get the ds out of the way. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

40 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

4

2

4

2

2

2

9 cos

sin

9 sin

cos

3 cos sin

cos

sin

3cos sin

ds

dt

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

+

=

+

=

 

 
Notice that we could drop the absolute value bars since both sine and cosine are positive in this 
range of 

θ

 given. 

 
Now let’s get the surface area and don’t forget to also plug in for the y

 

(

)

3

2

0

4

2

0

1

4

0

2

2

sin

3cos sin

6

sin

cos

sin

6

6

5

S

y ds

d

d

u

u du

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ

π

θ

θ θ

θ

π

π

=

=

=

=

=

=



 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

41 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Polar Coordinates 

Up to this point we’ve dealt exclusively with the Cartesian (or Rectangular, or x-y) coordinate 
system.  However, as we will see, this is not always the easiest coordinate system to work in.  So, 
in this section we will start looking at the polar coordinate system. 
 
Coordinate systems are really nothing more than a way to define a point in space.  For instance in 
the Cartesian coordinate system at point is given the coordinates (x,y) and we use this to define 
the point by starting at the origin and then moving x units horizontally followed by y units 
vertically.  This is shown in the sketch below. 

 

 

This is not, however, the only way to define a point in two dimensional space.  Instead of moving 
vertically and horizontally from the origin to get to the point we could instead go straight out of 
the origin until we hit the point and then determine the angle this line makes with the positive x-
axis.  We could then use the distance of the point from the origin and the amount we needed to 
rotate from the positive x-axis as the coordinates of the point.  This is shown in the sketch below. 

 

 

Coordinates in this form are called polar coordinates.   
 
The above discussion may lead one to think that r must be a positive number.  However, we also 

allow r to be negative.  Below is a sketch of the two points 

( )

6

2,

π

 and 

(

)

6

2,

π


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

42 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

From this sketch we can see that if r is positive the point will be in the same quadrant as 

θ

.  On 

the other hand if r is negative the point will end up in the quadrant exactly opposite 

θ

.  Notice as 

well that the coordinates 

(

)

6

2,

π

 describe the same point as the coordinates 

(

)

7

6

2,

π

 do.  The 

coordinates 

(

)

7

6

2,

π

 tells us to rotate an angle of 

7

6

π

 from the positive x-axis, this would put us 

on the dashed line in the sketch above, and then move out a distance of 2. 
 
This leads to an important difference between Cartesian coordinates and polar coordinates.  In 
Cartesian coordinates there is exactly one set of coordinates for any given point.  With polar 
coordinates this isn’t true.  In polar coordinates there is literally an infinite number of coordinates 
for a given point.  For instance, the following four points are all coordinates for the same point. 

 

5

4

2

5,

5,

5,

5,

3

3

3

3

π

π

π

π

 

 

 

=

= −

= − −

 

 

 

 

 

 

 

 
Here is a sketch of the angles used in these four sets of coordinates. 

 

In the second coordinate pair we rotated in a clock-wise direction to get to the point.  We 
shouldn’t forget about rotating in the clock-wise direction.  Sometimes it’s what we have to do. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

43 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

The last two coordinate pairs use the fact that if we end up in the opposite quadrant from the point 
we can use a negative r to get back to the point and of course there is both a counter clock-wise 
and a clock-wise rotation to get to the angle. 
 
These four points only represent the coordinates of the point without rotating around the system 
more than once.  If we allow the angle to make as many complete rotations about the axis system 
as we want then there are an infinite number of coordinates for the same point.  In fact the point 

( )

,

r

θ

 can be represented by any of the following coordinate pairs. 

 

(

)

(

)

(

)

,

2

,

2

1

,

where   is any integer.

r

n

r

n

n

θ

π

θ

π

+

+

+

 

 
Next we should talk about the origin of the coordinate system.  In polar coordinates the origin is 
often called the pole.  Because we aren’t actually moving away from the origin/pole we know 
that 

0

r

=

.  However, we can still rotate around the system by any angle we want and so the 

coordinates of the origin/pole are 

( )

0,

θ

 
Now that we’ve got a grasp on polar coordinates we need to think about converting between the 
two coordinate systems.  Well start out with the following sketch reminding us how both 
coordinate systems work. 

 

Note that we’ve got a right triangle above and with that we can get the following equations that 
will convert polar coordinates into Cartesian coordinates. 
 
Polar to Cartesian Conversion Formulas 

cos

sin

x

r

y

r

θ

θ

=

=

 

 
Converting from Cartesian is almost as easy.  Let’s first notice the following. 

 

(

) (

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

sin

cos

sin

cos

sin

x

y

r

r

r

r

r

r

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+

=

+

=

+

=

+

=

 

 
This is a very useful formula that we should remember, however we are after an equation for r so 
let’s take the square root of both sides.  This gives, 

 

2

2

r

x

y

=

+

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

44 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Note that technically we should have a plus or minus in front of the root since we know that r can 
be either positive or negative.  We will run with the convention of positive r here. 
 
Getting an equation for 

θ

 is almost as simple.  We’ll start with, 

sin

tan

cos

y

r

x

r

θ

θ

θ

=

=

 

 

Taking the inverse tangent of both sides gives, 

 

1

tan

y

x

θ

 

=

 

 

 

 
We will need to be careful with this because inverse tangents only return values in the range 

2

2

π

π

θ

− < <

.  Recall that there is a second possible angle and that the second angle is given by 

θ π

+

 
Summarizing then gives the following formulas for converting from Cartesian coordinates to 
polar coordinates. 
 
Cartesian to Polar Conversion Formulas 

2

2

2

2

2

1

tan

r

x

y

r

x

y

y

x

θ

=

+

=

+

 

=

 

 

 

 
Let’s work a quick example. 
 

Example 1  

Convert each of the following points into the given coordinate system. 

(a) 

2

4,

3

π

 into Cartesian coordinates.   

[

Solution

]

 

(b) (-1,-1) into polar coordinates.   

[

Solution

]

 

 
Solution 

(a) Convert 

2

4,

3

π

 into Cartesian coordinates. 

 
This conversion is easy enough.  All we need to do is plug the points into the formulas. 

 

2

1

4 cos

4

2

3

2

2

3

4 sin

4

2 3

3

2

x

y

π

π

= −

= − −

=

= −

= −

= −

 

So, in Cartesian coordinates this point is 

(

)

2, 2 3

[

Return to Problems

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

45 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

(b) Convert (-1,-1) into polar coordinates. 
 
Let’s first get r

 

( ) ( )

2

2

1

1

2

r

=

+ −

=

 

Now, let’s get 

θ

 

( )

1

1

1

tan

tan

1

1

4

π

θ

=

=

=

 

This is not the correct angle however.  This value of 

θ

 is in the first quadrant and the point we’ve 

been given is in the third quadrant.  As noted above we can get the correct angle by adding 

π

 onto 

this.  Therefore, the actual angle is, 

5

4

4

π

π

θ

π

= + =

 

 

So, in polar coordinates the point is 

(

)

5

4

2,

π

.  Note as well that we could have used the first 

θ

 

that we got by using a negative r.  In this case the point could also be written in polar coordinates 

as 

(

)

4

2,

π

[

Return to Problems

]

 

 
We can also use the above formulas to convert equations from one coordinate system to the other. 
 

Example 2  

Convert each of the following into an equation in the given coordinate system. 

(a) Convert 

3

2

5

1

x

x

xy

= +

 into polar coordinates.   

[

Solution

]

 

(b) Convert 

8 cos

r

θ

= −

 into Cartesian coordinates.   

[

Solution

]

 

Solution 

(a) Convert 

3

2

5

1

x

x

xy

= +

 into polar coordinates. 

 
In this case there really isn’t much to do other than plugging in the formulas for x and y (i.e. the 
Cartesian coordinates) in terms of r and 

θ

 (i.e. the polar coordinates). 

 

(

) (

)

(

)(

)

3

3

3

2

2

cos

5

cos

1

cos

sin

2 cos

5

cos

1

cos sin

r

r

r

r

r

r

r

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

= +

= +

 

[

Return to Problems

(b) Convert 

8 cos

r

θ

= −

 into Cartesian coordinates. 

 
This one is a little trickier, but not by much.  First notice that we could substitute straight for the 
r.  However, there is no straight substitution for the cosine that will give us only Cartesian 
coordinates.  If we had an r on the right along with the cosine then we could do a direct 
substitution. So, if an r on the right side would be convenient let’s put one there, just don’t forget 
to put one on the left side as well. 

 

2

8 cos

r

r

θ

= −

 

 
We can now make some substitutions that will convert this into Cartesian coordinates. 
 

 

2

2

8

x

y

x

+

= −  

[

Return to Problems

]

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

46 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 
Before moving on to the next subject let’s do a little more work on the second part of the previous 
example. 
 
The equation given in the second part is actually a fairly well known graph; it just isn’t in a form 
that most people will quickly recognize.  To identify it let’s take the Cartesian coordinate 
equation and do a little rearranging. 

 

2

2

8

0

x

x

y

+

+

=  

 
Now, complete the square on the x portion of the equation. 

 

(

)

2

2

2

2

8

16

16

4

16

x

x

y

x

y

+

+

+

=

+

+

=

 

 
So, this was a circle of radius 4 and center (-4,0). 
 
This leads us into the final topic of this section. 
 
Common Polar Coordinate Graphs 
Let’s identify a few of the more common graphs in polar coordinates.  We’ll also take a look at a 
couple of special polar graphs. 
 
Lines 
Some lines have fairly simple equations in polar coordinates. 
 

1. 

θ β

=

We can see that this is a line by converting to Cartesian coordinates as follows 

 

(

)

1

tan

tan

tan

y

x

y

x

y

x

θ β

β

β

β

=

  =

 

 

=

=

 

This is a line that goes through the origin and makes an angle of  

β

 with the positive x-

axis.  Or, in other words it is a line through the origin with slope of 

tan

β

 

2. 

cos

r

a

θ

=

 

This is easy enough to convert to Cartesian coordinates to 

x

a

=

.  So, this is a vertical 

line. 
 

3. 

sin

r

b

θ

=

 

Likewise, this converts to 

y

b

=

 and so is a horizontal line. 

 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

47 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 3  

Graph 

3

4

π

θ

=

cos

4

r

θ

=

 and 

sin

3

r

θ

= −

 on the same axis system. 

Solution 
There really isn’t too much to this one other than doing the graph so here it is. 

 

 
Circles 
Let’s take a look at the equations of circles in polar coordinates. 

1. 

r

a

=

This equation is saying that no matter what angle we’ve got the distance from the origin 
must be a.  If you think about it that is exactly the definition of a circle of radius a 
centered at the origin. 
 
So, this is a circle of radius a centered at the origin.  This is also one of the reasons why 
we might want to work in polar coordinates.  The equation of a circle centered at the 
origin has a very nice equation, unlike the corresponding equation in Cartesian 
coordinates. 
 

2. 

2 cos

r

a

θ

=

We looked at a specific example of one of these when we were converting equations to 
Cartesian coordinates. 
 

This is a circle of radius 

a

 and center 

( )

, 0

a

.  Note that a might be negative (as it was 

in our example above) and so the absolute value bars are required on the radius.  They 
should not be used however on the center. 
 

3. 

2 sin

r

b

θ

=

This is similar to the previous one.  It is a circle of radius 

b

 and center 

( )

0, b

 

4. 

2 cos

2 sin

r

a

b

θ

θ

=

+

This is a combination of the previous two and by completing the square twice it can be 

shown that this is a circle of radius 

2

2

a

b

+

 and center 

( )

,

a b

.  In other words, this is 

the general equation of a circle that isn’t centered at the origin. 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

48 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 4  

Graph 

7

r

=

4 cos

r

θ

=

, and 

7 sin

r

θ

= −

 on the same axis system. 

 
Solution 
The first one is a circle of radius 7 centered at the origin.  The second is a circle of radius 2 

centered at (2,0).  The third is a circle of radius 

7

2

 centered at 

7

0,

2

.  Here is the graph of the 

three equations. 

 

 
Note that it takes a range of 

0

2

θ

π

≤ ≤

 for a complete graph of 

r

a

=

 and it only takes a range 

of 

0

θ π

≤ ≤

 to graph the other circles given here. 

 
Cardioids and Limacons 
These can be broken up into the following three cases. 
 

1.  Cardioids : 

cos

r

a

a

θ

= ±

 and 

sin

r

a

a

θ

= ±

These have a graph that is vaguely heart shaped and always contain the origin. 
 

2.  Limacons with an inner loop : 

cos

r

a b

θ

= ±

 and 

sin

r

a b

θ

= ±

 with 

a

b

<

These will have an inner loop and will always contain the origin. 
 

3.  Limacons without an inner loop : 

cos

r

a b

θ

= ±

 and 

sin

r

a b

θ

= ±

 with 

a

b

>

These do not have an inner loop and do not contain the origin. 

 

Example 5  

Graph 

5 5sin

r

θ

= −

7 6 cos

r

θ

= −

, and 

2 4 cos

r

θ

= +

Solution 
These will all graph out once in the range 

0

2

θ

π

≤ ≤

.  Here is a table of values for each 

followed by graphs of each. 
 
 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

49 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

θ

 

5 5sin

r

θ

= −

 

7 6 cos

r

θ

= −

 

2 4 cos

r

θ

= +

 

2

π

 

π

 

13 

-2 

3

2

π

 

10 

2

π

 

 

 

 

 

 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

50 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 
There is one final thing that we need to do in this section.  In the third graph in the previous 
example we had an inner loop.  We will, on occasion, need to know the value of 

θ

  for which the 

graph will pass through the origin.  To find these all we need to do is set the equation equal to 
zero and solve as follows, 
 

 

1

2

4

0

2 4 cos

cos

,

2

3

3

π π

θ

θ

θ

= +

= −

=

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

51 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Tangents with Polar Coordinates 

We now need to discuss some calculus topics in terms of polar coordinates.   
 
We will start with finding tangent lines to polar curves.  In this case we are going to assume that 

the equation is in the form 

( )

r

f

θ

=

.  With the equation in this form we can actually use the 

equation for the derivative 

dy

dx

 we derived when we looked at 

tangent lines with parametric 

equations

.  To do this however requires us to come up with a set of parametric equations to 

represent the curve.  This is actually pretty easy to do. 
 
From our work in the previous section we have the following set of conversion equations for 
going from polar coordinates to Cartesian coordinates. 

 

cos

sin

x

r

y

r

θ

θ

=

=

 

 

Now, we’ll use the fact that we’re assuming that the equation is in the form 

( )

r

f

θ

=

.  

Substituting this into these equations gives the following set of parametric equations (with 

θ

 as 

the parameter) for the curve. 
 

 

( )

( )

cos

sin

x

f

y

f

θ

θ

θ

θ

=

=

 

 
Now, we will need the following derivatives. 

 

( )

( )

( )

( )

cos

sin

sin

cos

cos

sin

sin

cos

dx

dy

f

f

f

f

d

d

dr

dr

r

r

d

d

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

+

=

=

+

 

 

The derivative 

dy

dx

 is then, 

 
Derivative with Polar Coordinates 

sin

cos

cos

sin

dr

r

dy

d

dr

dx

r

d

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+

=

 

 
Note that rather than trying to remember this formula it would probably be easier to remember 
how we derived it and just remember the formula for parametric equations. 
 
Let’s work a quick example with this. 
 
 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

52 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 1  

Determine the equation of the tangent line to 

3 8sin

r

θ

= +

 at 

6

π

θ

=

Solution 
We’ll first need the following derivative. 

 

8 cos

dr

d

θ

θ

=

 

The formula for the derivative 

dy

dx

 becomes, 

 

(

)

(

)

2

2

2

8 cos sin

3 8sin

cos

16 cos sin

3cos

8 cos

3 8sin

sin

8 cos

3sin

8sin

dy

dx

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+ +

+

=

=

− +

 

 
The slope of the tangent line is, 

 

6

3 3

4 3

11 3

2

3

5

4

2

dy

m

dx

π

θ =

+

=

=

=

 

Now, at 

6

π

θ =

 we have 

7

r

=

.  We’ll need to get the corresponding x-y coordinates so we can 

get the tangent line. 

 

7 3

7

7 cos

7 sin

6

2

6

2

x

y

π

π

 

 

=

=

=

=

 

 

 

 

 

The tangent line is then, 

 

7

11 3

7 3

2

5

2

y

x

= +

 

For the sake of completeness here is a graph of the curve and the tangent line. 
 

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

53 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Area with Polar Coordinates 

In this section we are going to look at areas enclosed by polar curves.  Note as well that we said 
“enclosed by” instead of “under” as we typically have in these problems.  These problems work a 
little differently in polar coordinates.  Here is a sketch of what the area that we’ll be finding in 
this section looks like. 
 

 

 

We’ll be looking for the shaded area in the sketch above.  The formula for finding this area is, 
 

2

1

2

A

r d

β

α

θ

= ⌠

 

 

 

Notice that we use r in the integral instead of 

( )

f

θ

 so make sure and substitute accordingly 

when doing the integral. 
 
Let’s take a look at an example. 
 

Example 1  

Determine the area of the inner loop of 

2 4 cos

r

θ

= +

 
Solution 
We graphed this function back when we first started looking at 

polar coordinates

.  For this 

problem we’ll also need to know the values of 

θ

 where the curve goes through the origin.  We 

can get these by setting the equation equal to zero and solving. 
 

 

0

2 4 cos

1

2

4

cos

,

2

3

3

θ

π π

θ

θ

= +

= −

=

 

 
Here is the sketch of this curve with the inner loop shaded in. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

54 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 

Can you see why we needed to know the values of 

θ

 where the curve goes through the origin?  

These points define where the inner loop starts and ends and hence are also the limits of 
integration in the formula.   
 
So, the area is then, 

 

(

)

(

)

( )

(

)

( )

( )

(

)

4

3

2

2

3

4

3

2

2

3

4

3

2

3

4

3

2

3

4

3

2

3

1

2 4 cos

2

1

4 16 cos

16 cos

2

2 8 cos

4 1 cos 2

6 8 cos

4 cos 2

6

8sin

2 sin 2

4

6 3

2.174

A

d

d

d

d

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

π

=

+

=

+

+

=

+

+

+

=

+

+

=

+

+

=

=

 

 
You did follow the work done in this integral didn’t you?  You’ll run into quite a few integrals of 
trig functions in this section so if you need to you should go back to the 

Integrals Involving Trig 

Functions

 sections and do a quick review. 

 
So, that’s how we determine areas that are enclosed by a single curve, but what about situations 
like the following sketch were we want to find the area between two curves. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

55 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

In this case we can use the above formula to find the area enclosed by both and then the actual 
area is the difference between the two.  The formula for this is, 
 

(

)

2

2

1

2

o

i

A

r

r

d

β

α

θ

=

 

 
Let’s take a look at an example of this. 
 

Example 2  

Determine the area that lies inside 

3 2 sin

r

θ

= +

 and outside 

2

r

=

 
Solution 
Here is a sketch of the region that we are after. 

 

 
To determine this area we’ll need to know the values of 

θ

 for which the two curves intersect.  We 

can determine these points by setting the two equations and solving. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

56 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

3 2 sin

2

1

7

11

sin

,

2

6

6

θ

π

π

θ

θ

+

=

= −

=

 

 
Here is a sketch of the figure with these angles added. 

 

 
Note as well here that we also acknowledged that another representation for the angle 

11

6

π

 is 

6

π

.  This is important for this problem.  In order to use the formula above the area must be 

enclosed as we increase from the smaller to larger angle.  So, if we use 

7

6

π

 to 

11

6

π

 we will not 

enclose the shaded area, instead we will enclose the bottom most of the three regions.  However if 
we use the angles 

6

π

 to 

7

6

π

 we will enclose the area that we’re after. 

 
So, the area is then, 

 

(

) ( )

(

)

(

)

( )

(

)

( )

(

)

7

6

2

2

6

7

6

2

6

7

6

6

7

6

6

1

3 2 sin

2

2

1

5 12 sin

4 sin

2

1

7 12 sin

2 cos 2

2

1

7

12 cos

sin 2

2

11 3

14

24.187

2

3

A

d

d

d

π

π

π

π

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

π

=

+

=

+

+

=

+

=

=

+

=

 

 
Let’s work a slight modification of the previous example. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

57 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 3  

Determine the area of the region outside 

3 2 sin

r

θ

= +

 and inside 

2

r

=

 
Solution 
This time we’re looking for the following region. 

 

 
So, this is the region that we get by using the limits 

7

6

π

 to 

11

6

π

.  The area for this region is, 

 

( ) (

)

(

)

(

)

( )

(

)

( )

(

)

11

6

2

2

7

6

11

6

2

7

6

11

6

7

6

11

6

7

6

1

2

3 2 sin

2

1

5 12 sin

4 sin

2

1

7 12 sin

2 cos 2

2

1

7

12 cos

sin 2

2

11 3

7

2.196

2

3

A

d

d

d

π

π

π

π

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

π

=

− +

=

− −

=

− −

+

=

+

+

=

=

 

 
Notice that for this area the “outer” and “inner” function were opposite! 
 
Let’s do one final modification of this example. 
 

Example 4  

Determine the area that is inside both 

3 2 sin

r

θ

= +

 and 

2

r

=

 
Solution 
Here is the sketch for this example. 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

58 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

 
We are not going to be able to do this problem in the same fashion that we did the previous two.  
There is no set of limits that will allow us to enclose this area as we increase from one to the 
other.  Remember that as we increase 

θ

 the area we’re after must be enclosed.  However, the 

only two ranges for 

θ

 that we can work with enclose the area from the previous two examples 

and not this region. 
 
In this case however, that is not a major problem.  There are two ways to do get the area in this 
problem.  We’ll take a look at both of them. 
 
Solution 1 
In this case let’s notice that the circle is divided up into two portions and we’re after the upper 
portion.  Also notice that we found the area of the lower portion in Example 3.  Therefore, the 
area is, 
 

 

( )

2

Area

Area of Circle Area from Example 3

2

2.196

10.370

π

=

=

=

 

 
Solution 2 
In this case we do pretty much the same thing except this time we’ll think of the area as the other 
portion of the limacon than the portion that we were dealing with in Example 2.  We’ll also need 
to actually compute the area of the limacon in this case. 
 
So, the area using this approach is then, 
  


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

59 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

(

)

(

)

( )

(

)

( )

( )

(

)

2

2

0

2

2

0

2

0

2

0

Area

Area of Limacon

Area from Example 2

1

3 2 sin

24.187

2

1

9 12 sin

4 sin

24.187

2

1

11 12 sin

2 cos 2

24.187

2

1

11

12 cos

sin 2

24.187

2

11

24.187

10.370

d

d

d

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

π

=

=

+

=

+

+

=

+

=

=

=

 

 
A slightly longer approach, but sometimes we are forced to take this longer approach. 
 
As this last example has shown we will not be able to get all areas in polar coordinates straight 
from an integral. 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

60 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Arc Length with Polar Coordinates 

We now need to move into the Calculus II applications of integrals and how we do them in terms 
of polar coordinates.  In this section we’ll look at the arc length of the curve given by, 

 

( )

r

f

θ

α θ β

=

≤ ≤  

where we also assume that the curve is traced out exactly once.  Just as we did with the 

tangent 

lines in polar coordinates

 we’ll first write the curve in terms of a set of parametric equations, 

 

( )

( )

cos

sin

cos

sin

x

r

y

r

f

f

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

=

=

 

and we can now use the parametric formula for finding the arc length. 
 
We’ll need the following derivatives for these computations. 

( )

( )

( )

( )

cos

sin

sin

cos

cos

sin

sin

cos

dx

dy

f

f

f

f

d

d

dr

dr

r

r

d

d

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

+

=

=

+

 

 
We’ll need the following for our ds

 

(

) (

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

sin

sin

cos

cos

2

cos sin

sin

sin

2

cos sin

cos

cos

sin

cos

sin

dx

dy

dr

dr

r

r

d

d

d

d

dr

dr

r

r

d

d

dr

dr

r

r

d

d

dr

r

d

dr

r

d

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+

=

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

=

+ 

 

 
The arc length formula for polar coordinates is then, 
 

 

L

ds

=

 

where, 

 

2

2

dr

ds

r

d

d

θ

θ

=

+ 

 

 
Let’s work a quick example of this. 
 
 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

61 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Example 1  

Determine the length of 

r

θ

=

 

0

1

θ

≤ ≤

 
Solution 
Okay, let’s just jump straight into the formula since this is a fairly simple function. 

 

1

2

0

1

L

d

θ

θ

=

+

 

 
We’ll need to use a trig substitution here. 

 

2

tan

sec

x

d

x dx

θ

θ

=

=

 

 

0

0

tan

0

1

1

tan

4

x

x

x

x

θ

π

θ

=

=

=

=

=

=

 

 

2

2

2

1

tan

1

sec

sec

sec

x

x

x

x

θ

+ =

+ =

=

=

 

 
The arc length is then, 

 

(

)

(

)

(

)

1

2

0

3

4

0

4

0

1

sec

1

sec tan

ln sec

tan

2

1

2

ln 1

2

2

L

d

x dx

x

x

x

x

π

π

θ

θ

=

+

=

=

+

+

=

+

+


 

 
Just as an aside before we leave this chapter.  The polar equation 

r

θ

=

 is the equation of a 

spiral.  Here is a quick sketch of 

r

θ

=

 for 

0

4

θ

π

≤ ≤

 

 

 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

62 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Surface Area with Polar Coordinates 

We will be looking at surface area in polar coordinates in this section.  Note however that all 
we’re going to do is give the formulas for the surface area since most of these integrals tend to be 
fairly difficult. 
 
We want to find the surface area of the region found by rotating, 

 

( )

r

f

θ

α θ β

=

≤ ≤  

about the x or y-axis. 
 
As we did in the 

tangent

 and 

arc length

 sections we’ll write the curve in terms of a set of 

parametric equations. 

 

( )

( )

cos

sin

cos

sin

x

r

y

r

f

f

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

=

=

 

 
If we now use the parametric formula for finding the surface area we’ll get, 
 

2

rotation about 

axis

2

rotation about 

axis

S

y ds

x

S

x ds

y

π

π

=

=


 

where, 

 

( )

2

2

,

dr

ds

r

d

r

f

d

θ

θ

α θ β

θ

=

+

=

≤ ≤

 

 
Note that because we will pick up a 

d

θ

 from the ds we’ll need to substitute one of the parametric 

equations in for x or y depending on the axis of rotation.  This will often mean that the integrals 
will be somewhat unpleasant. 
 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

63 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 

Arc Length and Surface Area Revisited 

We won’t be working any examples in this section.  This section is here solely for the purpose of 
summarizing up all the arc length and surface area problems.   
 
Over the course of the last two chapters the topic of arc length and surface area has arisen many 
times and each time we got a new formula out of the mix.  Students often get a little overwhelmed 
with all the formulas.   
 
However, there really aren’t as many formulas as it might seem at first glance.  There is exactly 
one arc length formula and exactly two surface area formulas.  These are, 
 

2

rotation about 

axis

2

rotation about 

axis

L

ds

S

y ds

x

S

x ds

y

π

π

=

=

=



 

 
The problems arise because we have quite a few ds’s that we can use.  Again students often have 
trouble deciding which one to use.  The examples/problems usually suggest the correct one to use 
however.  Here is a complete listing of all the ds’s that we’ve seen and when they are used. 
 

( )

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

2

1

if ,

1

if ,

if ,

,

if ,

dy

ds

dx

y

f x

a

x

b

dx

dx

ds

dy

x

h y

c

y

d

dy

dx

dy

ds

dt

x

f t

y

g t

t

dt

dt

dr

ds

r

d

r

f

d

α

β

θ

θ

α θ β

θ

=

+

=

≤ ≤

=

+

=

≤ ≤

=

+

=

=

≤ ≤

=

+

=

≤ ≤

 

 
Depending on the form of the function we can quickly tell which ds to use. 
 
There is only one other thing to worry about in terms of the surface area formula.  The ds will 
introduce a new differential to the integral.  Before integrating make sure all the variables are in 
terms of this new differential.  For example if we have parametric equations we’ll use the third ds 
and then we’ll need to make sure and substitute for the x or y depending on which axis we rotate 
about to get everything in terms of t
 

Likewise, if we have a function in the form 

( )

x

h y

=

 then we’ll use the second ds and if the 

rotation is about the y-axis we’ll need to substitute for the x in the integral.  On the other hand if 
we rotate about the x-axis we won’t need to do a substitution for the y
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

64 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

Keep these rules in mind and you’ll always be able to determine which formula to use and how to 
correctly do the integral. 
 


background image

Calculus II 

© 2007 Paul Dawkins 

65 

http://tutorial.math.lamar.edu/terms.aspx 

 

 
 




رفعت المحاضرة من قبل: عبدالله الحمداني
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 83 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل