3032 Cálculo 3.pdf
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D E P A R T A M E N T
CÁLCULO I I I O D E C I E N C I A S B Á S I C A S
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Instituto Profesional Dr. Virginio Gómez Departamento de Ciencias Básicas
INTRODUCCION
Los contenidos que se imparten en este curso están directamente relacionados con temas de la especialidad de la
carrera Ingeniería E Electrónica. Por tanto es fundamental que el alumno al finalizar este curso se encuentre ena bcondiciones de operar, analizar y aplicar los conceptos entregados de modo tal que desarrolle características que le
permitan una correcta resolución de problemas asociados a sistemas eléctricos y de telecomunicaciones. Por
ejemplo el concepto de series es de vital importancia en un mundo digital en expansión en el cual nos encontramos
ya sea en televisión digital, fotografía digital o áreas de investigación científica como la halografía, la tomografía y
la espectografía las cuales dependen en gran medida de las series infinitas. Así también, los conceptos de derivada
de funciones multivariables, integrales dobles y triples , la obtención de volúmenes en sus diferentes sistemas son
todos conceptos aplicables a asignatura de ondas electromagnéticas; de la misma forma los campos vectoriales
asociados a los campos eléctricos y campos magnéticos. Considerando lo anterior es posible entender la importancia
de los contenidos de este curso los cuáles son una herramienta necesaria para enfrentar con éxito futuros desafíos ya
sea en asignaturas posteriores como en el mundo laboral.
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1
I N D I C E
Pág.
I SUCESIONES Y SERIES
Sucesiones ........................................................................................................... Límite de una sucesión ......................................................................................... Serie .................................................................................................................... Serie geométrica .................................................................................................. Serie p o hipergeométrica ................................................................................... Teoremas sobre series ........................................................................................ Criterio para establecer la convergencia de serie: criterio de comparación .................................................................. criterio de la integral ..................................................................... criterio de la serie alterna ............................................................... criterio de la razón ....................................................................... Serie de potencias ................................................................................................ Serie de Taylor ................................................................................................... Serie de Fourier ..................................................................................................
3 4 7 8 9
11
13 16 19 23 26 30 35
II FUNCIONES DE VARIAS VARIABLES
Funciones de más de una variable ...................................................................... Dominio de funciones de dos variables ...............................................................
55 56
III DERIVADAS PARCIALES
Derivadas parciales .................................................................................. Derivación implícita ........................................................................................... Regla de la cadena ........................................................................................... Aplicaciones de las regla de cadena:
problemas con enunciado ................................................................ demostraciones ..............................................................................
Derivada direccional ......................................................................................... Gradientes ......................................................................................................... Derivadas parciales de orden superior ................................................................. Máximos y mínimos para funciones de varias variables .................................... Hessiano de una función de dos variables .......................................................... Criterio de la segunda derivada .......................................................................... Multiplicadores de Lagrange ..............................................................................
60 65 68
75 79 82 86 90 93 94 94 97
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2
IV INTEGRACION MULTIPLE Gráfico en ‘ 3 : ....................................................................................................
planos ...................................................................................... .... esfera ........................................................................................... cilindro ........................................................................................... cono .............................................................................................. paraboloide ....................................................................................
Integrales dobles .................................................................................................... Propiedades de la integral dobles ....................................................................... Aplicaciones de la integral doble:
cálculo de áreas en el plano ........................................................... determinar el valor de la región ‘ ................................................. cálculo de volúmenes .....................................................................
Integrales Triples ............................................................................................... Cálculo de volúmenes ......................................................................................... Coordenadas cilíndricas ..................................................................................... Coordenadas esféricas ........................................................................................
102 102 107 108 109 111 112 115
119 124 129 133 137 144 149
V
CAMPOS VECTORIALES Campos vectoriales ............................................................................................ campo vectorial conservativo ............................................................ campo vectorial conservativo en el plano ......................................... Rotacional .......................................................................................................... Campo vectorial conservativo en el espacio ...................................................... Integral de trayectoria ....................................................................................... Integrales de línea ............................................................................................. Teorema de Green ...........................................................................................
157 158 158 162 162 167 168
172 Teorema de Stokes ............................................................................................
Teorema de divergencia de Gauss .......................................................................
178 183
VI AUTOEVALUACIONES ................................................................................. 190 VII BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 208
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Sucesiones
: Una sucesión o secuencia es una función cuyo dominio es el conjunto de los númerosConceptonaturales a b ™œ
Si el n-ésimo elemento de una sucesión se designa por , entonces una sucesión es el+ œ 0 88 a bconjunto de parejas ordenadas de la forma , donde a ba b8 0 8 8 −
Ejemplo:
1) Si , 2
)(+
=nnnf entonces:
n 1 2 3 4 5 ... n
)(nf
31
21
53
32
75
... 2+n
n
Los pares ordenados serán:
...;2
,...75,5;
32,4;
31,3;
21,2;
31,1
+
nnn
Como el dominio de toda sucesión es siempre , es usual usar la
notación { } { }nanf =)( para representarla.
En el ejemplo
{ } { }nanf =)( = { },...,...,,,,, 54321 naaaaaa
{ }
+=
+= ...,
2...,,
75,
32,
53,
21,
31
2)(
nn
nnnf
2) si es impar si es par0 8 œ
" 8$ 8
a b œ œ œ a b0 8 œ "ß $ß "ß $ß "ß $ß "ß $ß ÞÞÞ
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Concepto de Límite de una Sucesión
{ }Lan
n
Lna
MnLnaM
=∞→
><−>>
lim
:por denota sey es sucesión la de límite el que dice se
entonces , que siempre talque0 existe 0 para Si εε
Si el límite de la sucesión existe se dice que la sucesión es convergente CV y si no existe se dice que la sucesión es divergente DV. Límite de una Sucesión Sea )(xfy = una función real definida ∈∀ x ™ + con lim Lxf =)( ,
∞→x entonces si { }na es una sucesión tal que )( ∈∀= xanf n se tiene que lim Lna =
∞→n
Ejemplos À
Determinar si la sucesión es CV o DV
1) œ 8
8 #
0 B œ H970 B œ Ö # ×B
B #a b a b ‘
™ ‘ © Ö # ×
lim lim limB Ä _ B Ä _ B Ä _
B "
B #œ œ œ "
B
BB # #
B B B "
Por lo tanto, , luego la sucesión es CV.lim8 Ä _
8
8 #œ "
2) œ " &8
#8 %8
$
$
0 B œ H970 B œ Ö! ×" &B
#B %Ba b a b$
$‘
™ ‘ © Ö!×
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lim lim limB Ä _ B Ä _ B Ä _
" &B &
#B %B #œ œ œ
" &B "
B B B &
#B %B
B B #
%
B
$
$
$ $ $
$
$
$ $ #
Por lo tanto, , luego la sucesión es CV.lim8 Ä _
" &8 &
#8 %8 #œ
$
$
3) œ Š ‹8 † =/88
1
0 B œ B † =/8 H970 B œ Ö! ×B
a b a bŠ ‹1 ‘
™ ‘ © Ö!×
limB Ä _
B † =/8 œ _ † !B
Š ‹1
œB Ä _
=/8B
"
B
limŠ ‹1
œ!
!
œ P LB Ä _
-9=B B
"
B
w #
#
lim
1 1Š ‹
œB Ä _
-9=B
"lim
11Š ‹
œ 1
Por lo tanto, , luego la sucesión CV.lim8 Ä _
8 † =/8 œ8
Š ‹1 1
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Teorema: Si { }na y { }nb y son sucesiones CV y es c un número, entonces: a) La sucesión { }c tiene como límite c b) lim ⋅=⋅ cac n lim na
∞→n ∞→n c) lim =± )( nn ba lim na ± lim nb
∞→n ∞→n ∞→n d) lim =⋅ nn ba lim ⋅na lim nb
∞→n ∞→n ∞→n
e) ∞→n
lim nanb
= n
n
nn
b
a
∞→
∞→
lim
lim si 0lim ≠
∞→nnb
Ejercicios
Determine si la sucesión CV o DV
a) b) c) œ œ œ 8 " #8 " 8 "
#8 " $8 " 8
# #
#
d) e) f) œ œ œ È$8 / "
#8 8 8
8
8 " 8
$
# #
Solución
a) CV b) CV
c) DV d) DV
e) DV f) DV
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Series
Concepto de Series Infinitas Si { }na es una sucesión infinita, entonces :
......3211
+++++=∑∞
=n
nn aaaaa
se llama serie infinita o simplemente serie. Los números ,...321 ,...,,, naaaa se llaman términos de la serie infinita. Sea la siguiente sucesión de sumas parciales
nn aaaaS
aaaSaaS
aS
++++=
++=+=
=
L
M
321
3213
212
11
Si { } { }nn SSSSS ,,,, 321 L= converge, entonces la serie ∑∞
=1nna converge.
Concepto de convergencia o divergencia de series infinitas
Sea una serie infinita dada y sea la sucesión de sumas parciales." œ 8 œ "
_+ W8 8
Si existe y es igual a , entonces la serie dada es CV y S es la suma de la serielim8 Ä _
W W8 convergente a by si no existe, entonces la serie dada es DV y la serie no tiene suma.lim
8 Ä _W8 divergente a b
Teorema : Si la serie ∑∞
=1nna es CV, entonces
Teorema : Si , entonces la serie dada ∑∞
=1nna es DV.
0lim =∞→
nn
a
0lim ≠∞→
nn
a
Para determinar la CV o DV de series es necesario conocer algunas series especiales como asímismo algunos criterios de convergencia de series, pues los dos teoremas antes mencionados no establecenbajo que condiciones una serie dada CV o DV.
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Serie Geométrica
La serie Primer término
0con 32
0≠+⋅++⋅+⋅+⋅+=⋅∑
∞
=ararararaara n
n
n LL
razón
razón la es y minoprimer tér el es donde geométrica serie denomina Se ra
Teorema À + † < < W œ
8 œ !
_8 +
" <La serie geométrica de razón converge a si, y sólo si,"
y diverge si, y sólo si, ¸ ¸ ¸ ¸< " < "
Ejemplos
Determine si las series son CV o DV
+Ñ œ < œ "
8 œ ! 8 œ !
_ _" " "
# # #8
8" " Œ
Por lo tanto, la serie CV y su suma es W œ œ #"
" "
#
,Ñ < œ "
8 œ !
_ & &
% %
8" Œ Por lo tanto, la serie DV.
-Ñ < œ "
8 œ !
_ " "
# #
8" Œ
Por lo tanto, la serie CV y su suma es W œ œ" #
" "
#$
.Ñ # † < œ "
8 œ !
_ # #
$ $
8" Œ
Por lo tanto, la serie CV y su suma es W œ œ# '
" #
$&
Por lo tanto, la serie DV./Ñ $ † < œ "
8 œ !
_ ' '
& &
8" Œ
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Serie p o serie Hiperarmónica
0con serie llama se
131
2111 serie La
1
>
+++++=∑∞
=
pp
nn pppn
p LL
.armónica serie denomina se
131
2111 serie la entonces ,1 Si
1LL +++++== ∑
∞
= nnp
n
La serie es si, y sólo si, y es si, y Teorema convergente divergenteÀ : : "
8 œ "
_ "
8:"
sólo si, ! : Ÿ "
Ejemplos
Determine si las series son CV o DV
Por lo tanto, la serie DV+Ñ : œ "
8 œ "
_ "
8"
Por lo tanto, la serie CV,Ñ : œ $
8 œ "
_ "
8"
$
Por lo tanto, la serie DV-Ñ : œ
8 œ "
_ " "
8 $"
"Î$
Por lo tanto, la serie CV.Ñ : œ
8 œ "
_ "
8" 1 1
Por lo tanto, la serie CV/Ñ : œ
8 œ "
_ " %
8 $" È$ %
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Ejercicios
I Decida si las siguientes series geométricas CV. o DV.
"Ñ #Ñ $Ñ #
8 œ ! 8 œ !
_ _ _% ( )
# $ &88 œ !
8 8" " "Œ Œ G
%Ñ &Ñ Ð #&Ñ 'Ñ
8 œ ! 8 œ ! 8 œ !
_ _ _$ &'
Ð ""Ñ $88
8" " " a b
II Decida si las siguientes series CV. o DV.:
"Ñ #Ñ $Ñ
8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _" $ #
"&8 8"& 8%Î*" " "
%Ñ &Ñ 'Ñ
8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _# % (
8& 8 8&Î) "#Î&" " "
SoluciónI
1) la serie CV 2) , la serie DV< œ ß < œ " (
# $
3) la serie DV 4) la serie CV< œ ß < œ ß) "
& ""
5) la serie DV 6) la serie DV< œ #&ß < œ &' ß
II
1) la serie DV 2) la serie CV: œ " ß : œ "& ß
3) la serie DV 4) la serie CV: œ ß : œ &ß%
*
5) la serie DV 6) la serie CV: œ ß : œ ß& "#
) &
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Teoremas sobre Series
: Si y son dos series infinitas que difieren solamente en un númeroTeorema 1 " "8 œ " 8 œ "
_ _+ ,8 8
finito de términos, entonces ambas series CV o ambas series DV.
: Determine si la serie es CV o DVEjemplo "8 œ "
_ "
8 "
y"8 œ "
_ " " " " " "
8 " # $ % & 8 "œ ÞÞÞ ÞÞÞ
"8 œ "
_ " " " " " "
8 # $ % & 8œ " ÞÞÞ ÞÞÞ
La serie equivale a la serie armónica, pero con un término menos. Como "8 œ "
_ "
8 "
es DV, entonces es también DV.! "8 œ "
_ " "
8 8 "8 œ "
_
: Sea una constante no nula:Teorema 2 -
a) Si es CV y su suma es , entonces es CV y su" " "8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _+ W - † + œ - † +8 8 8
suma es -WÞ
b) Si es DV, entonces DV." "8 œ " 8 œ "
_ _, - † ,8 8
:Ejemplo
1) " " "8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _# " "
$ $ $8 8 8œ # † œ # †
es serie geométrica con y por lo tanto CV."8 œ "
_ " "
$ $8 < œ
Así, es CV."8 œ "
_ #
$8
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2) " "È È8 œ " 8 œ "
_ _# # "
$ 8 8œ †
$
es serie con y por lo tanto DV." È8 œ "
_ " "
8: : œ
#
Así, es DV. " È8 œ "
_ #
$ 8
: Si y son series CV cuyas sumas, respectivamente, son A y B,Teorema3 " "8 œ " 8 œ "
_ _+ ,8 8
entonces:
a) es CV y su suma es A B" a b8 œ "
_+ , 8 8
b) es CV y su resta es A B" a b8 œ "
_+ , 8 8
:Ejemplo
" " "Œ 8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _" $ " $
# & # &8 8 8 8 œ
es CV y su suma es "8 œ "
_ "
#8"
es CV y su suma es "8 œ "
_ $ $
& %8
Luego, es CV y su suma es " Œ 8 œ "
_ " $ (
# & %8 8
: Si es una serie CV y es una serie DV, entoncesTeorema 4 " "8 œ " 8 œ "
_ _+ ,8 8
es DV." a b8 œ "
_+ „ ,8 8
:Ejemplo
" " "Œ 8 œ " 8 œ " 8 œ "
_ _ _& # & #
) *8 ) *88 8 œ
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es una serie geométrica con y por lo tanto CV"8 œ "
_ & "
) )8 < œ
es una serie con y por lo tanto DV"8 œ "
_ # "
* 8† : : œ "
Luego, es DV." Œ 8 œ "
_ & #
) *88
Criterios para establecer la convergencia de series infinitas
A.- Criterio de comparación
Sea ∑∞
=1nna una serie de términos positivos:
a) Si ∑∞
=1nnb es una serie de términos positivos que es CV y ∈∀≤ nba nn , entonces
∑∞
=1nna es CV.
b) Si ∑∞
=1nnb es una serie de términos positivos que es DV y ∈∀≥ nba nn , entonces
∑∞
=1nna es DV
: Determine si la serie CV o DV.Ejemplos
"Ñ
8 œ "
_ "
&8 ""
&8 " Ÿ '8 a8 −
" "
&8 " '8
serie armónica y por lo tanto DV" "8 œ " 8 œ "
_ _" " "
'8 ' 8œ †
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Luego, es DV"8 œ "
_ "
&8 "
#Ñ
8 œ "
_ "
8 %"
#
8 % 8 a8 −# #
" "
8 % 8Ÿ
# #
serie con y por lo tanto CV"8 œ "
_ "
8: : œ #
#
Luego, es CV."8 œ "
_ "
8 %#
$Ñ
8 œ "
_ 8
8 ""
#
88 "
8 " #8
"" "
# #
## "
& %
$$ "
"! '
%% "
"( )
&& "
#' "!
#
8 "
8 " #8
#
serie armónica y por lo tanto DV" "8 œ " 8 œ "
_ _" " "
#8 # 8œ †
Luego, es DV."8 œ "
_ 8
8 "#
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Ejercicios
Decida si la serie CV. o DV.
"Ñ #Ñ
8 œ " 8 œ "
_ _" "
8 ($ % $8" "
$Ñ %Ñ
8 œ " 8 œ "
_ _" "
8 # $8 "#" "
&Ñ
8 œ "
_ "
8 %" È
Solución
1) CV 2) CV
3) DV 4) CV
5) DV
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B) Criterio de la Integral de Cauchy Sea )(xfy = una función continua, positiva, decreciente y definida 1≥∀ x , entonces la
serie ∑∞
=1nna es CV si la integral impropia ∫
∞+
1
)( dxxf es CV y la
serie ∑∞
=1nna es DV si la integral impropia ∫
∞+
1
)( dxxf es DV .
:Ejemplos
Determinar si la serie CV o DV.
"Ñ 8 † /
8 œ "
_8"
es decreciente, positiva y definida 0 B œ B † / 0 B a B "Ba b a b
( (" "
_
,Ä_B † / .B œ B † / .BB B
,lim
( B † / .BB
? œ B Ê .? œ .B .@ œ / .B Ê @ œ /B B
( (B † / .B œ B/ / .BB B B
œ B/ / GB B
œ G B "
/B
lim lim,Ä_ ,Ä_"
"( º,
B † / .B œB B "
/B
,
œ , " " "
/ /lim
,Ä_ ,
œ , " #
/ /lim
,Ä_ ,
œ P L " #
/ /w
,Ä_ ,Œ lim
œ#
/
Por lo tanto, CV a Luego la serie es CV. ( ""
_ B † / .B Þ 8 † /B 8#
/8 œ "
_
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#Ñ
8 œ "
_ E<->1 8
8 ""
#
es decreciente, positiva y definida 0 B œ 0 B a B "E<->1 B
B "a b a b
#
( (" "
_
# #,Ä_
E<->1 B E<->1 B
B " B ".B œ .B
,lim
( E<->1 B "
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# #
( (E<->1 B
B ".B œ ?.?
#
œ G?
#
#
œ GE<->1 B
#
a b#
lim lim,Ä_ ,Ä_"
#
#
"( a b º, E<->1 B E<->1 B
B " #.B œ
,
œ E<->1 , E<->1 "
# #lim
,Ä_
# #a b a b
œ ) $#
1 1# #
œ$
$#
1#
Por lo tanto, CV a Luego la serie es CV.( ""
_
# #
#E<->1 B $ E<->1 8
B " $# 8 ".B Þ
8 œ "
_1
$Ñ
8 œ "
_ "
8 " 68 8 "" a b a bÈ
es decreciente, positiva y definida 0 B œ 0 B a B ""
B " 68 B "a b a ba b a bÈ
( (a b a b a b a bÈ È" "
_
,Ä_
" "
B " 68 B " B " 68 B ".B œ .B
,lim
( a b a bÈ"B " 68 B ".B
? œ 68 B " Ê .? œ .B"
B "a b
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( (a b a bÈ È" "
B " 68 B ".B œ .?
?
œ ? .?( "#
œ # ? GÈ œ # 68 B " GÈ a b lim lim
,Ä_ ,Ä_" "( a b a bÈ È a b º, "
B " 68 B ".B œ # 68 B "
,
œ # 68 , " # 68#lim,Ä_
È a b Èœ _ # 68#È
œ _
Por lo tanto, DV Luego la serie( a b a bÈ"
_ "
B " 68 B ".B Þ
es DV." a b a bÈ8 œ "
_ "
8 " 68 8 "
Ejercicios
Determine si la serie CV o DV.
"Ñ #Ñ $Ñ
8 œ " 8 œ " 8 œ #
_ _ _" 8 "
#8 "
#
8 #$ 8 688" " " a b
#
%Ñ &Ñ
8 œ " 8 œ "
_ _/ ""Î8
8 #8 "" " È
#
Solución
1) DV 2) DV 3) CV
4) CV 5) DV
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Series infinitas de términos positivos y negativos
Concepto: Si ∈∀> nan 0 , entonces:
nn
nn
n
nn
nn
n
aaaaaaa
aaaaaaa
⋅−−−+−+−=⋅−
⋅−++−+−+−=⋅−
++∞
=
∞
=
∑
∑
154321
1
1
543211
)1( )1(
y
)1( )1(
L
L
Se denominan series alternas o series alternantes.
:Ejemplos
"Ñ " † œ ÞÞÞ " †
8 œ "
_8 8" " " " " "
8 " # $ % & 8 "" a b a b
#Ñ " † œ " ÞÞÞ " †
8 œ "
_8 " 8 "" " " " " "
8 # $ % & 8" a b a b
C.- Criterio de la serie alterna
Si ∈∀> nan 0 , entonces las series alternas nn
na⋅−∑
∞
=1)1( y
nn
na⋅− +
∞
=∑ 1
1)1( convergen si, y sólo si:
a) ∈∀<< + naa nn 10
b) lim 0=na ∞→n
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20
:Ejemplos
Determine si la serie CV o DV.
"Ñ " †
8 œ "
_8 "
$8" a b
+ œ + œ8 "" "
$ 8 " $88a b
+Ñ a8 −" "
$8 $ $8
,Ñ œ !"
$8lim8Ä_
Por lo tanto, la serie CV.
#Ñ " †
8 œ "
_8 " "
8 "" a b
#
+ œ + œ8 "" "
8 " "8
8 "a b# #
+Ñ a8 −" "
8 #8 # 8 "# #
Por lo tanto, la serie CV.,Ñ œ !"
8 "lim8Ä_ #
:Teorema
a) Una serie o se dice que es" "a b a b8 œ " 8 œ "
_ _ " † + " † +8 8 "
8 8
CVA si la serie es CV.Absolutamente Convergente a b "8 œ "
_+8
b) Una serie o se dice que es" "a b a b8 œ " 8 œ "
_ _ " † + " † +8 8 "
8 8
CVC si la serie es DV.Condicionalmente Convergente a b "8 œ "
_+8
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GIN
IO G
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21
:Ejemplos
"Ñ " †
8 œ "
_8 &
%8" a b
+ œ + œ8 "& &
%8 " 8%8
+Ñ a8 −& &
%8 " %8
,Ñ œ !&
%8lim8Ä_
La serie es CV." a b8 œ "
_ " †8 &
%8
es una serie geométrica con y por lo tanto, CV" " Œ 8 œ " 8 œ "
_ _& " "
% % %8 œ & † < œ8
Luego la serie CVA" a b8 œ "
_ " †8 &
%8
#Ñ " †
8 œ "
_8 " "
8" a b È
+ œ + œ8 "" "
8 "8
8È È +Ñ a8 −
" "
8 " 8È È
,Ñ œ !"
8lim8Ä_ È
La serie es CV." a b È8 œ "
_ " †8 " "
8
es una serie con y por lo tanto, DV" "È8 œ " 8 œ "
_ _" " "
8œ : : œ
8 #"#
Luego la serie CVC" a b È8 œ "
_ " †8 " "
8
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22
Ejercicios
Usando criterio de la serie alterna, indique si la serie CV. o DV. En caso de ser CV. decida,además, si es CVA. o CVC.
"Ñ Ð "Ñ † #Ñ Ð "Ñ †
8 œ " 8 œ "
_ _8 " 8
8 " 8 "#" "
1 1
$Ñ Ð "Ñ † %Ñ Ð "Ñ †
8 œ " 8 œ #
_ _8 8 "
Ð8 "Ñ 8 "# $" "
1 1
&Ñ Ð "Ñ † 'Ñ Ð "Ñ †
8 œ " 8 œ "
_ _8 " 8 "
8 8 $8 "" "È
1 1
Solución
1) CVC 2) CVA 3) CVA
4) CVA 5) CVA 6) CVC
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23
D.- Criterio de la Razón o Criterio de D'Alambert
Sea ∑∞
=1nna una serie infinita donde : 0≠na
y ρ=+
∞→ n
naa
n1lim
entonces:
a) cuando 1<ρ , la serie CVA. b) cuando 1>ρ , la serie DV. c) cuando 1=ρ el criterio no da información.
Ejemplos:
Determine si la serie CV o DV.
!
"Ñ
8 œ "
_ $8 "
8"
!
!!
!º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a ba b
+8 "+ $ † $ 8 "8
œ œ † œ
$8 #
8 "
$8 "
8
$ † $ † $ 8 $8
8 " † 88
lim8Ä_
$
8 "œ ! "
Por lo tanto, CV!
"8 œ "
_ $8 "
8
!
#Ñ " †
8 œ "
_8 #8
8" a b a b
!
!!
!º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a ba b a b a b a b a b+8 "
+ #88œ œ †
#8 #
8 "#8
8
#8 # † #8 " † #8 8
8 "
œ%8 '8 #8
8 "
$ #
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24
lim lim8Ä_ 8Ä_
$ #
$ #
%8 '8 #8
8 "œ
% ' #8 8 8
8 8 88 "
8 8
œ %8 '8 #
" "
8
lim8Ä_
#
œ_
"
œ _ "
Por lo tanto, DV.!" a b a b
8 œ "
_ " †8 #8
8
$Ñ " †
8 œ "
_8 #8
8" a b
$
º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a b+8 "+8
œ œ †
#8 "
8 "
#8
8
# † # 88
8 "#8
$
$
$
Š ‹$
œ#8
8 $8 $8 "
$
$ #
lim lim8Ä_ 8Ä_
$
$ #
$
$
$ #
$ $ $ $
#8
8 $8 $8 "œ
#8
88 8 8 "
8 8 8 8 $ $
œ #
" $ $ "
8 8 8
lim8Ä_
# $
œ # "
Por lo tanto, DV." a b8 œ "
_ " †8 #8
8$
%Ñ " †
8 œ "
_8 8 #
&8" a b
º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
+8 "+ & † & 8 # &8 "!8
œ œ † œ
8 $
&8 "
8 #
&8
8 $ & 8 $8
8
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25
lim lim8Ä_ 8Ä_
w8 $ " "
&8 "! & &œ P L œ "
Por lo tanto, CVA." a b8 œ "
_ " †8 8 #
&8
Ejercicios
Determine si la serie CV o DV.
"Ñ #Ñ Ð "Ñ
8 œ ! 8 œ "
_ _8 " x &
# #8 x88
8" "a b a b
$Ñ Ð "Ñ %Ñ
8 œ " 8 œ "
_ _8 8 x 8
8 $ $ 8 "8 8
#" "a b a b
&Ñ Ð "Ñ
8 œ "
_8 "
Ð#8 "Ñx"
Solución
1) DV 2) CVA 3) DV
4) CV 5) CVA
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26
Serie de Potencias
Concepto: Una serie de potencias en ax − es una serie de la forma :
variable.es , númerosson y
)(0
)(3)(32)(2)(10
xaib
naxn
nbnaxnbaxbaxbaxbb −∑
∞
==−++−+−+−+ L
Si x es un número particular, entonces ax − se transforma en un número
y naxn
nb )(0
−∑∞
=es una serie infinita de términos constantes.
Si 0=a , entonces se obtiene la siguiente serie
nxnbxbxbxbbnxn
nb +++++=∑∞
=L3
32
2100
Es importante conocer los intervalos de convergencia o divergencia de una serie de potencias.
Como aparece la variable , entonces una serie de potencias es una función B 0 B œ , B +
8 œ !
_
88a b a b"
donde el dominio de la función es el intervalo de convergencia de la serie. Para ello se utiliza el Criterio dela Razón y se resuelve la inecuación , además se debe hacer el análisis de los extremos.3 "
:Ejemplos
Determine el intervalo de convergencia de las siguientes series de potencias
"Ñ " †
8 œ "
_8 " # † B "8 8
8 † $8" a b a b
º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a ba ba b+8 "
+8œ
# † B "8 " 8 "
8 " † $8 "
# † B "8 8
8 † $8
œ †# † # † B " † B " 8 † $8 8 8
8 " † $ † $8 # † B "8 8º ºa b a ba b a b œ † † B "
# 8
$ 8 "¸ ¸
lim lim8Ä_ 8Ä_
# 8 # 8
$ 8 " $ 8 "† † B " œ † B "¸ ¸ ¸ ¸
œ P L † B "# "
$ "w
8Ä_¸ ¸ lim
œ † B "#
$¸ ¸
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27
# #
$ $† B " " Í " ÐB "Ñ "¸ ¸
Í B " $ $
# #
Í B & "
# #
Análisis de los extremos
Para B œ &
#
" "a b a bŒ a b a b8 œ " 8 œ "
_ _ " † œ " †8 " 8 "
# † 8 $
#
8
8 † $ 8 † $8 8
# †8 " $8 8
#8
œ " †
8 œ "
_8 " "
8" a b#
œ
8 œ "
_ "
8"
Pero, es la serie armónica y por lo tanto DV."8 œ "
_ "
8
Para B œ"
#
" "a b a bŒ 8 œ " 8 œ "
_ _ " † œ " †8 " 8 "
# †8 $
#
8
8 † $ 8 † $8 8
# †8 $8
#8
œ " †
8 œ "
_8 " "
8" a b
Pero, es una serie alterna que es CVC." a b8 œ "
_ " †8 " "
8
Por lo tanto, el intervalo de convergencia de la serie
es " a b a b8 œ "
_ " † B Ÿ8 " # † B " & "8 8
8 † $ # #8
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28
#Ñ " †
8 œ "
_8 B $ 8
8" a b a b
!
!
!
º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a ba ba b+8 "+8
œ
B $ 8 "
8 "
B $ 8
8
!
!œ †
B $ † B $ 88
8 " † 8 B $ 8º ºa b a ba b a b œ † B $
"
8 "¸ ¸
lim lim8Ä_ 8Ä_
" "
8 " 8 "† B $ œ B $¸ ¸ ¸ ¸
œ B $ † !¸ ¸ œ ! "
Por lo tanto, la serie es CVA !
" a b a b8 œ "
_ " † a B −8 B $ 8
8‘
!
$Ñ " †
8 œ "
_8 8
"! † B8 8" a b
!
!º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a b+8 "+8
œ
8 "
"! † B8 " 8 "
8
"! † B8 8
!
!œ †
8 " † 8 "! † B
"! † "! † B † B 88 8
8 8º ºa b
œ 8 " †"
"! Ba b ¸ ¸
lim lim8Ä_ 8Ä_
a b ¸ ¸ ¸ ¸8 " † œ Ð8 "Ñ" "
"! B "! B
œ †_"
"! B¸ ¸ œ _ "
Por lo tanto, la serie es DV !
" a b a b8 œ "
_ " † a B −8 B $ 8
8‘
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29
Ejercicios
Determine el intervalo de convergencia de las siguientes series de potencias
"Ñ Ð#8Ñx † #Ñ Ð "Ñ †
8 œ ! 8 œ "
_ _B ÐB &Ñ
#
88 "
8
8 † &8" "Œ
$Ñ %Ñ Ð "Ñ †
8 œ " 8 œ "
_ _ÐB #Ñ ÐB (Ñ8 " 8
Ð8 "Ñ † $8 "8 "
8 † (8" "
&Ñ Ð "Ñ † 'Ñ Ð "Ñ
8 œ " 8 œ "
_ _8 " 8B 8x ÐB %Ñ8 " 8
Ð#8 "Ñ $8" "
#
! †
(Ñ )Ñ † Ð #BÑ
8 œ " 8 œ "
_ _8x † B 88
Ð#8Ñx 8 "8 "" " Œ
*Ñ "!Ñ Ð "Ñ †
8 œ " 8 œ "
_ _# † B # † B8 8 #8 " #8
8 Ð#8Ñx8" "
#
Solución
No existe intervalo de convergencia"Ñ
#Ñ ! B Ÿ "!
$Ñ " Ÿ B &
%Ñ ! B Ÿ "%
&Ñ ‘
No existe intervalo de convergencia'Ñ
(Ñ ‘
)Ñ B " "
# #
*Ñ Ÿ B Ÿ" "
# #
"!Ñ ‘
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30
Serie de Taylor
Concepto : La expresión ∑∞
=
−⋅=
0 !)()(
)(n n
naxanfxf corresponde a la serie de Taylor de
f alrededor de ax = o desarrollo de f en una serie de potencias alrededor de ax = .
)(af n es la n-ésima derivada de f evaluada en ax = .
Si la serie de Taylor toma la forma ∑∞
=
⋅=
0 !)0(
)(n n
nxnfxf que se conoce con el nombre de
serie de Maclaurin de f .
Ejemplos
1)Desarrollar en serie de Taylor en torno a , la función B œ " 0 B œ"
Ba b
0 B œ Ê 0 " œ ""
B! !a b a b
0 B œ œ B Ê 0 " œ ""
Bw
## wa b a b
0 B œ œ #B Ê 0 " œ ##
Bww
$$ wwa b a b
0 B œ œ 'B Ê 0 " œ ''
Bwww
%% wwwa b a b
0 B œ œ #%B Ê 0 " œ #%#%
B3@
&& 3@a b a b
0 B œ " † B " " † B " # † B " ' † B " #% † B "
! " #x $ %a b a b a b a b a b a b a b a b! # $ %
! ! ! !
0 B œ B " B " # † B " ' † B " #% † B "
" " # ' #%a b a b a b a b a b a b! # $ %
0 B œ B " B " B " B " B "a b a b a b a b a b a b! # $ %
Por lo tanto, 0 B œ œ " † B ""
B8 œ !
_8 8a b a b a b"
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31
2) Desarrollar en serie de Maclaurin 0 B œ -9=Ba b 0 B œ -9=B Ê 0 ! œ "! !a b a b 0 B œ =/8B Ê 0 ! œ !w wa b a b 0 B œ -9=B Ê 0 ! œ "ww wwa b a b 0 B œ =/8B Ê 0 ! œ !w ww ww wa b a b 0 B œ -9=B Ê 0 ! œ "3@ 3@a b a b
! ! ! !
0 B œ " † B ! † B " † B ! † B " † B
! " #x $ %a b a b! # $ %
! ! !
0 B œ ! ! B B B
! # %a b ! # %
! ! !
0 B œ B B B
! # %a b ! # %
Por lo tanto, !
0 B œ -9=B œ " †
8 œ !
_8 B#8
#8a b a b" a b
3) Desarrollar en serie de Maclaurin y determinar intervalo de convergencia en À
+Ñ 0 B œ 68 " Ba b a b 0 B œ 68 " B Ê 0 ! œ !! !a b a b a b 0 B œ œ " B Ê 0 ! œ "
"
" Bw " wa b a b a b
0 B œ œ " B Ê 0 ! œ ""
" Bww
## wwa b a b a ba b
0 B œ œ # " B Ê 0 ! œ ##
" Bwww
$$ wwwa b a b a ba b
0 B œ œ ' " B Ê 0 ! œ ''
" B3@
%% 3@a b a b a ba b
0 B œ ! † B " † B " † B # † B ' † B
" " # ' #%a b ! # $ %
0 B œ ! B B B B
# $ %a b # $ %
Por lo tanto, 0 B œ 68 " B œ " †
8 œ !
_8 B8 "
8 "a b a b a b"
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32
Intervalo de convergencia
º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
¸ ¸ Œ +8 "+ 8 # B † B 8 #8 B
œ œ † œ B †
B8 #
8 #8 "
8 "
B † B 8 " 8 "8
8
#
lim lim8Ä_ 8Ä_
¸ ¸ ¸ ¸Œ Œ B † œ B †8 " 8 "
8 # 8 #
œ P L B †w
8Ä_
""
¸ ¸ lim
œ B¸ ¸ ¸ ¸B " Í " B "
Análisis de los extremos
Para B œ "
" "a b a b a b8 œ ! 8 œ !
_ _ " † œ8 " "8 " #8 "
8 " 8 "
œ
8 œ !
_ "
8 ""
œ
8 œ "
_ "
8"
Pero, es la serie armónica y por lo tanto DV"8 œ "
_
"
8
Para B œ "
" "a b a ba b8 œ ! 8 œ !
_ _ " † œ " †8 8" "8 "
8 " 8 "
Pero, es una serie alterna que CVC" a b8 œ !
_ " †8 "
8 "
Luego el intervalo de convergencia de la serie es " a b8 œ !
_ " † " B Ÿ "8 B8 "
8 "
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33
,Ñ 0 B œ /Ba b 0 B œ / Ê 0 ! œ "B! !a b a b 0 B œ / Ê 0 ! œ "Bw wa b a b 0 B œ / Ê 0 ! œ "Bw ww wa b a b 0 B œ / Ê 0 ! œ "Bwww wwwa b a b 0 B œ / Ê 0 ! œ "B3@ 3@a b a b
! ! ! ! !
0 B œ " † B " † B " † B " † B " † B
! " # $ %a b ! # $ %
Por lo tanto, !
0 B œ / œB
8 œ !
_ B8
8a b "
Intervalo de convergencia
!
!!
!º º º ºâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â
a b a b ¸ ¸ Œ + B † B 8 "
+ 8 " † 8 B 8 "œ œ † œ B †
B8 "
8 "B8
8
8
88"
8
lim lim8Ä_ 8Ä_
¸ ¸ ¸ ¸Œ Œ B † œ B †" "
8 " 8 "
œ B † !¸ ¸ œ ! "
Por lo tanto, el intervalo de convergencia de la serie es !
"8 œ !
_ B8
8‘
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34
Ejercicios
I Desarrollar en serie de Taylor
"Ñ 0ÐBÑ œ B + œ " #Ñ 0ÐBÑ œ + œ "$ "
BÈ con con
$Ñ 0ÐBÑ œ 68 B " + œ " %Ñ 0ÐBÑ œ -9= B + œ$
a b con con 1
II Desarrollar en serie de Maclaurin y determinar intervalo de convergencia
"Ñ 0ÐBÑ œ / #Ñ 0ÐBÑ œ =/8 $B $Ñ 0ÐBÑ œ -9= B BÎ# "
# Œ
Solución
I
"Ñ 0 B œ " B " B " & † B " & † B "
# ' &% )"a b a b a b a b# $ %
#Ñ 0 B œ B "
8 œ !
_8a b a b"
$Ñ 0 B œ 68# B " B " B " B "
# ) #% '%a b a b a b a b# $ %
%Ñ 0 B œ † " † † " †" $
# #8 # #8 "8 œ ! 8 œ !
_ _8 8 "
B B $ $
#8 #8 "
a b a b a b" "Š ‹ Š ‹a b a b
È1 1
! !
II
"Ñ 0 B œ aB −
8 œ !
_ B8
# † 88a b "! CV ‘
#Ñ 0 B œ " † a B −
8 œ !
_8 $ † B#8 " #8 "
#8 "a b a b" a b! CV ‘
$Ñ 0 B œ -9= † " † =/8 † " †" B " B
# #8 # #8 "8 œ ! 8 œ !
_ _8 8 "
8 8 "a b a b a bŒ Œ " "a b a b# #
! !
CV aB − ‘
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35
Serie de Fourier
Son desarrollos de series de funciones periódicas en series trigonométricas.
Conceptos previos:
1) Función continua por segmento en : toda función que es continua en todo punto delÒ + ß , Ó 0 Ba bintervalo .Ò + ß , Ó
2) Función periódica: es toda función que satisface la condición es el0 B 0 B > œ 0 B ß >a b a b a bperiodo. Ejemplo: - las funciones y tienen periodo .=/8 B -9= B #1 - la función tiene periodo .>1 B 1
3) Función par: es una función par si, y sólo si 0 B 0 B œ 0 Ba b a b a baB − H970Þ 0 Ba b es una función simétrica respecto al eje Y.
Ejemplo: - 0 B œ Ba b #
- 0 B œ -9= Ba b 4) Función impar: es una función impar si, y sólo si 0 B 0 B œ 0 Ba b a b a b es una función simétrica respecto al origen.aB − H970Þ 0 Ba b Ejemplo: - 0 B œ Ba b $
- 0 B œ =/8Ba b Propiedades de las funciones simétricas
1) Si es una función par continua en entonces0 B Ò + ß + Óßa b ( (a b a b
!+
+ +0 B .B œ # 0 B .B
2) Si es una función impar continua en entonces0 B Ò + ß + Óßa b 0( a b
+
+0 B .B œ
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36
Concepto: Sea )(xf una función continua por tramos en el intervalo [ ]TT,− . La Serie de Fourier de )(xf es la serie trigonométrica
∑∞
=
+
+=
1
0 cos2)(n
nn Txn
senbTxn
aa
xfππ
donde 0a , na y nb se obtienen como:
∫−=T
Tdxxf
Ta )(10
dxTxn
xfT
aT
Tn ∫−
=
πcos)(1 ,...3,2,1=n
dxTxn
senxfT
bT
Tn ∫−
=
π)(1 ,...3,2,1=n
Si )(xf es una función con periodo π2 , definida en el intervalo [ ]TT,− entonces
( ) ( )[ ]∑∞
=
++=1
0 cos2)(n
nn nxsenbnxaa
xf
donde 0a , na y nb se obtienen como:
∫−=π
ππdxxfa )(1
0
( )∫−=π
ππdxnxxfan cos)(1 ,...3,2,1=n
( )∫−=π
ππdxnxsenxfbn )(1 ,...3,2,1=n
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37
Propiedades de la Serie de Fourier
a) Si es una , definida en el intervalo T T , entonces la serie de Fourier será0 B Ò ß Óa b función parde la forma:
T
0 B œ + † -9=+ 8 B
#8 œ "
_
8a b " Š ‹! 1
T T
+ œ 0 B .B œ 0 B .B" #
!X !
X X( (a b a b
T T T T+ œ 0 B † -9= .B œ 0 B † -9= .B8
" 8 B # 8 B( (a b a bŠ ‹ Š ‹X !
X X1 1
b) Si es una , definida en el intervalo T T , entonces la serie de Fourier0 B Ò ß Óa b función imparserá de la forma:
T
0 B œ , † =/8
8 œ "
_
88 Ba b " Š ‹1
T T T T
, œ 0 B † =/8 .B œ 0 B † =/8 .B8" 8 B # 8 B( (a b a bŠ ‹ Š ‹
X !
X X1 1
Ejemplos À
1) Calcular la serie de Fourier de 0 B œB B Ÿ !#B ! B
a b œ 11
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38
no es función par ni impar.0 Ba b X œ 1
+ œ 0 B .B"
!1 1
1( a b + œ B .B #B .B
" "!
!
!1 11
1( ( + œ † †
" B " #B
# #!
# #
!
!1 11
1º º + œ
#!
11
+ œ#
!1
+ œ#
!1
T
+ œ 0 B † -9= .B8" 8 B
1 1
1 1( a b Š ‹
+ œ B † -9= 8B .B #B † -9= 8B .B8" "
1 11
1( (a b a b
!
!
"
B † -9= 8B .B1 1( a b
!
? œ B Ê .? œ .B .@ œ -9= 8B .B Ê @ œ=/8 8B
8a b a b
" " =/8 8B =/8 8B
B † -9= 8B .B œ B † .B8 81 11 11
( (a b ” º •a b a b
! !
!
" " =/8 8B -9= 8B
B † -9= 8B .B œ B † 8 81 11 1 1
( a b ” º º •a b a b
! ! !
#
" " † =/8 8 -9=! -9= 8
B † -9= 8B .B œ ! 8 8 81 11
1 1 1( a b ” •a b a b
!
# #
Pero, =/8 8 œ ! a8 − ß -9= 8 œ -9= 8 œ " a8 −8a b a b a b a b1 1 1
Luego,
1" " "
B † -9= 8B .B œ 8 8
8
1 11( a b ” •a b
!
# #
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39
"
#B † -9= 8B .B1
1( a b!
? œ #B Ê .? œ #.B .@ œ -9= 8B .B Ê @ œ=/8 8B
8a b a b
" " =/8 8B =/8 8B
#B † -9= 8B .B œ #B † #.B8 81 1
1 11( (a b a b” º •a b a b! !!
" " =/8 8B #-9= 8B
#B † -9= 8B .B œ #B † 8 81 1
1 1 1( a b a b” º º •a b a b! ! !
#
" " # † =/8 8 #-9= 8 #-9=!
#B † -9= 8B .B œ ! 8 8 81 1
1 1 1 1( a b ” •a b a b a b!
# #
Pero, =/8 8 œ ! a8 − ß -9= 8 œ " a8 −8a b a b a b1 1
Luego,
" " # " #
#B † -9= 8B .B œ 8
8 81 1
1( a b ” •a b!
# #
Así,
1
+ œ 8" " " # " #
8 8 8 8
8 8
1 1” • ” •a b a b
# # # #
+ œ8" " "8
81” •a b
#
T
, œ 0 B † =/8 .B8" 8 B
1 1
1 1( a b Š ‹
, œ B † =/8 8B .B #B † =/8 8B .B8" "
1 11
1( (a b a b
!
!
"
B † =/8 8B .B1 1( a b
!
? œ B Ê .? œ .B .@ œ =/8 8B .B Ê @ œ -9= 8B
8a b a b
" " -9= 8B -9= 8B
B † =/8 8B .B œ B † .B8 81 11 11
( (a b ” º •a b a b
! !
!
" " -9= 8B =/8 8B
B † =/8 8B .B œ B † 8 81 11 1 1
( a b ” º º •a b a b
! ! !
#
" " † -9= 8 =/8! =/8 8
B † =/8 8B .B œ ! 8 8 81 11
1 1 1( a b ” •a b a b
!
# #
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40
Pero, =/8 8 œ =/8 8 œ ! a8 − ß -9= 8 œ " a8 −8a b a b a b a b1 1 1
Luego,
" " "
B † =/8 8B .B œ œ8 8 "
8 81 1( a b a b a b
!
"
#B † =/8 8B .B1
1( a b!
? œ #B Ê .? œ #.B .@ œ =/8 8B .B Ê @ œ -9= 8B
8a b a b
" " -9= 8B -9= 8B
#B † =/8 8B .B œ #B † #.B8 81 1
1 11( (a b a b” º •a b a b! !!
" " -9= 8B #=/8 8B
#B † =/8 8B .B œ #B † 8 81 1
1 1 1( a b a b” º º •a b a b! ! !
#
" " # † -9= 8 #=/8 8 #=/8!
#B † =/8 8B .B œ ! 8 8 81 1
1 1 1 1( a b ” •a b a b a b!
# #
Pero, =/8 8 œ ! a8 − ß -9= 8 œ " a8 −8a b a b a b1 1
Luego,
" # " # "
#B † =/8 8B .B œ œ8 8 "
8 81
1( a b a b a b!
Así,
, œ 8 " # "8 " 8 "
8 8
a b a b
, œ8$ " 8 "
8
a b
Por lo tanto,
0 B œ † -9= 8B † =/8 8B% 8 8
8 œ "
_ " " " $ "8 8 "a b a b a b" ” •a b a b 1
1
#
#
0 B œ † † -9= 8B $ † =/8 8B% 8 8
" " " "
8 œ " 8 œ "
_ _8 8 "a b a b a b" "Œ a b a b 1
1 #
0 B œ † $ " †% 8
# -9=Ò #8 " BÓ =/8 8B
8 œ " 8 œ "
_ _
#8 "8 "a b a b" " a b a b
a b Œ 1
1 #
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41
2) Desarrollar en serie 0 B œ " B Ÿ !" ! B
a b œ 11
X œ 1
es función impar0 Ba b , œ 0 B † =/8 8B .B8
"
1 1
1( a b a b
, œ =/8 8B .B8#
1
1( a b!
, œ †8# -9= 8B
81
1a b º!
, œ † †8# -9= 8 # -9=!
8 81 1
1a b
, œ 8# " "
8 8
8
1” •a b
, œ8# " " 8 "
81” •a b
Así,
0 B œ † =/8 8B
8 œ "
_ # " " 8 "
8a b a b" ” •a b
1
0 B œ †% =/8Ò #8 " BÓ
8 œ "
_
#8 "a b " a b
1
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42
3) Desarrollar en serie de Fourier 0 B œ B ß " Ÿ B Ÿ "a b ¸ ¸ 0 B œ
B " Ÿ B !B ! Ÿ B Ÿ "
a b œ
es función par0 Ba b X œ "
+ œ 0 B .B"
"!
( a b
+ œ # B .B!!
"( + œ # †
B
#!
#
!
"º + œ "!
+ œ "!
+ œ " 0 B † -9= 8 B .B8"
"( a b a b
1
+ œ # B † -9= 8 B .B8 ( a b!
"
1
? œ B Ê .? œ .B .@ œ -9= 8 B .B Ê @ œ=/8 8 B
8a b a b1
1
1
# B † -9= 8 B .B œ # B † .B=/8 8 B =/8 8 B
8 8( (a b ” º •a b a b! !
" "
!
"
11 1
1 1
# B † -9= 8 B .B œ # B † =/8 8 B -9= 8 B
8 8( a b ” º º •a b a b!
" " "
! !# #
11 1
1 1
# B † -9= 8 B .B œ # ! =/8 8 -9= 8 -9=!
8 8 8( a b ” •a b a b!
"
# # #1
1 1
1 1 1
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43
Pero, =/8 8 œ ! a8 − ß -9= 8 œ " a8 −8a b a b a b1 1 Luego,
# B † -9= 8 B .B œ # " "8
8 8( a b ” •a b!
"
# # # #1
1 1
Así,
+ œ8# " "8
81# #Œ a b
Por lo tanto,
0 B œ † -9= 8 B" # " "
# 88 œ "
_ 8a b a b" Œ a b1
1# #
0 B œ †" % -9=Ò #8 " BÓ
#8 œ "
_
#8 "a b " a b
a b1
1# #
Ejercicios
Dada la función desarrollarla en serie de Fourier
"Ñ 0ÐBÑ œ B B 1 1
#Ñ 0ÐBÑ œB Ÿ B Ÿ ! B ! B œ 1
1
$Ñ 0ÐBÑ œ B # Ÿ B Ÿ ##
%Ñ 0ÐBÑ œ#B " B Ÿ !$B ! Ÿ B Ÿ "œ
&Ñ 0ÐBÑ œ / B B 1 1
'Ñ 0ÐBÑ œ
! B Î# " Î# B !" ! B Î#! Î# B
ÚÝÝÛÝÝÜ1 11
11 1
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44
Solución
"Ñ 0 B œ # " †
8 œ "
_8 =/8 8B
8a b a b" a b
#Ñ 0 B œ #
% -9=Ò #8 " BÓ
8 œ "
_
#8 "a b " a b
a b1
1 #
$Ñ 0 B œ " †) $#
$ 88 œ "
_8
-9=8 B
#a b a b" Š ‹1
1
# #
%Ñ 0 B œ " †" # -9=Ò #8 " BÓ & =/8 8 B
% 88 œ " 8 œ "
_ _
#8 "8a b a b" "a b a b
a b1 1
1 1# #
&Ñ 0 B œ " †/ / / / -9= 8B
# " 88 œ "
_8a b a b" a b1 1 1 1
#1 1
/ / 8=/8 8B
8 œ "
_ " †8
" 8
#
1 1
1" a b a b
'Ñ 0 B œ% =/8Ò# #8 " BÓ
8 œ "
_
#8 "a b " a b
1
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45
Una aplicación muy importante de la serie de Fourier consiste en encontrar la serie a partir delgráfico de la función donde sus variables son .a b>ß 0 Ð>Ñ
Ejemplos
"Ñ
es una función impar periodo 0Ð>Ñ X
0Ð>Ñ œ # X Ÿ > !# ! Ÿ > Ÿ Xœ
Luego,
0Ð>Ñ œ , =/8
8 œ "
_
88 >
X" Œ 1
, œ # =/8 .>8# 8 >
X X( Œ !
X 1
, œ 8%
X
-9=8 >
X8
X
Œ Œ º1
1
X
!
, œ -9= -9=8% X 8 X 8 !
X 8 X XŒ Œ Œ ” •
1
1 1
, œ 8% " "8
81Œ a b
Por lo tanto,
ó con impar0Ð>Ñ œ 0Ð>Ñ œ 8) )
8 œ " 8 œ "
_ _=/8 =/8#8 " > 8 >
X X
#8 " 81 1
1 1
" "Œ Œ a b
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46
#Ñ
es una función par con periodo 0 > Xa b
0 > œ
" X Ÿ > X
#
" Ÿ > ŸX X
# #
" > Ÿ XX
#
a bÚÝÝÝÝÝÛÝÝÝÝÝÜ
Luego,
0Ð>Ñ œ + -9=+ 8 >
# X8 œ "
_
8! " Œ 1
+ œ .> " .># #
X X!
! XÎ#
XÎ# X( ( a b
+ œ > >#
X!
! XÎ#
XÎ# X º º
+ œ X # X X
X # #! Œ
+ œ !!
+ œ " -9= .> " -9= .>8# 8 > 8 >
X X X ( (Œ Œ a b! XÎ#
XÎ# X1 1
+ œ #
X
=/8 =/88 > 8 >
X X8 8
X X
8! XÎ#
XÎ# XÎ ÑÐ ÓÐ ÓÐ ÓÏ Ò
Œ Œ º º1 1
1 1
+ œ =/8 =/8! =/8 8 =/88# X 8 8
X 8 # #Œ Š ‹Š ‹ Š ‹a b
1
1 11
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47
Pero, con impar=/8 œ " 88
#8Š ‹ a b1
+ œ # "8# X
X 88Œ Œ a ba b
1
con impar+ œ 88% " 8
8
a b1
Por lo tanto,
con impar0 > œ " † 8%
8 œ "
_8
-9=8 >
X
8a b a b" Œ
1
1
$Ñ
es una función par con periodo 0Ð>Ñ #X
Para determinar es necesario determinar las ecuaciones de las rectas que pasan por los puntos0Ð>Ña b a b a b a b #X ß " à !ß " !ß " à #X ß " y
Ecuación de la recta que pasa por a b a b #X ß " à !ß "
0 > " œ > ! Ê 0 > œ > "# "
#X Xa b a b a b
Ecuación de la recta que pasa por a b a b!ß " à #X ß "
0 > " œ > ! Ê 0 > œ > "# "
#X Xa b a b a b
Así,
0 > œ
"
X> " #X Ÿ > !
> " ! Ÿ > Ÿ #X"
X
a bÚÝÛÝÜ
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48
Luego,
0Ð>Ñ œ + -9=+ 8 >
# X8 œ "
_
8! " Œ 1
+ œ > " .># "
#X X!
!
#X( Œ
+ œ >" " >
X X #!
#
!
#X º + œ #X #X !
#
X! a b
+ œ !!
+ œ > " -9= .>8# " 8 >
#X X #X( Œ Œ !
#X 1
+ œ > " -9= .>" " 8 >
X X #X8
!
#X( Œ Œ 1
? œ > " Ê .? œ " "
X X
.@ œ -9= Ê @ œ8 >
#X
=/88 >
#X8
#X
Œ Œ 1
1
1
+ œ > " =/8 =/8 .>8# " #X 8 > " #X 8 >
X X 8 #X X 8 #X Œ Œ Œ Œ Œ Œ º (1 1
1 1
!
#X
!
#X
+ œ -9=8# # #X 8 >
X 8 8 #XŒ º Œ Œ
1 1
1
!
#X
+ œ 8) " "8
81# #Œ a b
Por lo tanto,
0 > œ"'
8 œ "
_ -9= #8 ">
#X
#8 "a b " ” •a bŒ
a b1
1
# #
o
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49
con impar0 > œ 8"'
8 œ "
_ -9=8 >
#X
8a b " Œ
1
1
# #
Ejercicios
Determine la serie de Fourier para:
"Ñ
#Ñ
$Ñ
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50
Solución
es impar con periodo "Ñ 0Ð>Ñ %X
0Ð>Ñ œ
> # #X Ÿ > X"
X"
X> X Ÿ > X
> # X Ÿ > Ÿ #X"
X
ÚÝÝÝÝÝÛÝÝÝÝÝÜ
0Ð>Ñ œ " †%
8 œ "
_8
=/88 >
#X
81
1
" a b Œ
es impar con periodo #Ñ 0Ð>Ñ %X
0Ð>Ñ œ > #X Ÿ > Ÿ #X"
X
0Ð>Ñ œ " † " †% #
8 œ " 8 œ "
_ _8 " 8
=/8 =/88 > 8 >
#X #X
8 81 1
1 1
# #" "a b a bŒ Œ
es par con periodo $Ñ 0Ð>Ñ %X
0 > œ
$
#X> $ #X Ÿ > !
> $ ! Ÿ > Ÿ #X$
#X
a bÚÝÛÝÜ
con impar0 > œ " † ß 8$ "#
# 88 œ "
_8
-9=8 >
#Xa b a b" Œ 1
1
# #
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51
Serie cosenoidal y senoidal de Fourier
Si es una función continua en el intervalo T , entonces:0 B Ò !ß Óa b a) La serie cosenoidal de Fourier de en T es:0 B Ò !ß Óa b , donde
T0 B œ + † -9=
+ 8 B
#8 œ "
_
8a b " Š ‹! 1
T
+ œ 0 B .B"
!!
X( a b
T T+ œ 0 B † -9= .B8
# 8 B( a b Š ‹!
X 1
b) La serie senoidal de Fourier de en T es:0 B Ò !ß Óa b , donde
T0 B œ , † =/8
8 œ "
_
88 Ba b " Š ‹1
T T
, œ 0 B † =/8 .B8# 8 B( a b Š ‹
!
X 1
:Ejemplo
Desarrollar en serie cosenoidal y senoidal en 00 B œ B B a b 1 1
Serie cosenoidal
X œ 1
+ œ 0 B .B"
!!1
1( a b + œ B .B
"!
!1
11( a b
+ œ B " B
#!
#
!11
1Œ º + œ
"
#!
##
11
1Œ + œ
#!
1
+ œ#
!1
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52
T
+ œ 0 B † -9= .B8# 8 B
1
1 1( a b Š ‹!
+ œ B † -9= 8B .B8#
1
11( a b a b
!
+ œ † -9= 8B .B B † -9= 8B .B8# #
1 1
1 11( (a b a b
! !
# #=/8 8B
† -9= 8B .B œ81
11
1( a b a b º! !
# #=/8 8 #=/8 !
† -9= 8B .B œ 8 81
11
1( a b a b a b!
#
† -9= 8B .B œ !1
11( a b
!
#
B † -9= 8B .B1
1( a b!
? œ B Ê .? œ .B .@ œ -9= 8B .B Ê @ œ=/8 8B
8a b a b
# # =/8 8B =/8 8B
B † -9= 8B .B œ B † .B8 81 1
1 11( (a b ” º •a b a b! !!
# # =/8 8B -9= 8B
B † -9= 8B .B œ B † 8 81 1
1 1 1( a b ” º º •a b a b! ! !
#
# # † =/8 8 -9= 8 -9=!
B † -9= 8B .B œ ! 8 8 81 1
1 1 1 1( a b ” •a b a b!
# #
# # " "
B † -9= 8B .B œ 8
8 81 1
1( a b ” •a b!
# #
Así,
+ œ ! 8# " "8
8 81” •a b
# #
+ œ 8# " "8
81” •a b
#
Luego,
0 B œ † -9= 8B% 8
8 œ "
_ # " "8a b a b" ” •a b1
1 #
ó con impar0 B œ † 0 B œ † 8% % 8
% -9=Ò #8 " BÓ % -9= 8B
8 œ " 8 œ "
_ _
#8 "a b a b" "a b a b
a b1 1
1 1# #
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53
Serie senoidal
T
, œ 0 B † =/8 .B8# 8 B
1
1 1( a b Š ‹!
, œ B † =/8 8B .B8#
1
11( a b a b
!
, œ † =/8 8B .B B † =/8 8B .B8# #
1 1
1 11( (a b a b
! !
# #-9= 8B
† =/8 8B .B œ 81
11
1( a b a b º! !
# #-9= 8 #-9= !
† -9= 8B .B œ 8 81
11
1( a b a b a b!
# # " #
† -9= 8B .B œ8
81
11( a b a b
!
#
B † =/8 8B .B1
1( a b!
? œ B Ê .? œ .B .@ œ =/8 8B .B Ê @ œ -9= 8B
8a b a b
# # -9= 8B -9= 8B
B † =/8 8B .B œ B † .B8 81 1
1 11( (a b ” º •a b a b! !!
# # -9= 8B =/8 8B
B † =/8 8B .B œ B † 8 81 1
1 1 1( a b ” º º •a b a b! ! !
#
# # † -9= 8 =/8 8 =/8!
B † =/8 8B .B œ ! 8 8 81 1
1 1 1 1( a b ” •a b a b!
# #
# # "
B † =/8 8B .B œ 8
81
1( a b a b!
Así,
, œ 8 # " # # "8 8
8 8
a b a b
, œ8#
8
Luego,
ó 0 B œ † =/8 8B 0 B œ # †
8 œ " 8 œ "
_ _# =/8 8B
8 8a b a b a b" " a b
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54
Ejercicios
I) Calcule la serie senoidal de Fourier de la función dada
"Ñ 0ÐBÑ œ " ! B " #Ñ 0ÐBÑ œ B ! B ; ; # 1
$Ñ 0ÐBÑ œ -9= B ! B %Ñ 0ÐBÑ œ B B ! B " ; ; 1 #
&Ñ 0ÐBÑ œ / ! B "B ;
II) Calcule la serie cosenoidal de Fourier de la función dada
"Ñ 0ÐBÑ œ / ! B " #Ñ 0ÐBÑ œ " B ! B B ; ; 1
$Ñ 0ÐBÑ œ =/8B ! B %Ñ 0ÐBÑ œ B B ! B " ; ; 1 #
&Ñ 0ÐBÑ œ " ! B " ; Solución
I )
"Ñ 0 B œ 0 B œ ß8% =/8 #8 " B % =/8 8 B
8 œ " 8 œ "
_ _
#8 " 8a b a b" "a b a b
1 1
1 1[ ] ó impar
#Ñ 0 B œ#
8 œ "
_ # 8 " # =/8 8B8
8a b " ’ “a ba b a b
1
1# #
$
$Ñ 0 B œ 0 B œ ß 8% #8 =/8 #8 B % 8=/8 8B
8 œ
_ _
#8 " 8 œ #8 "
a b a b" "a b a b a ba b1 11
[ ] ó par
# #
%Ñ 0 B œ 0 B œ ß 8) =/8 #8 " B ) =/8 8 B
8 œ " 8 œ "
_ _
#8 " 8a b a b" "a b a b
a b1 1
1 1$ $ $$
[ ] ó impar
&Ñ 0 B œ #
8 œ "
_ 8 / 8 " =/8 8 B8
8 "a b " a b a ba b
11
1
# #
II)
"Ñ 0 B œ #/ " / " " -9= 8 B
# " 88 œ "
_ 8a b " a b a ba b 1
1# #
#Ñ 0 B œ 0 B œ ß 8% # % # 8
" % -9=Ò #8 " BÓ " % -9= 8B
8 œ " 8 œ #
_ _
#8 "a b a b" "a b a b
a b1 1
1 1# #o impar
$Ñ 0 B œ 0 B œ ß 8" % -9= #8B " % -9= 8B
8 œ " 8 œ #
_ _
" #8 " 8a b a b" "a b a b
a b1 1 1 1# # o par
%Ñ 0 B œ 0 B œ ß 8" % -9= #8 B " % -9= 8 B
"# "# 88 œ " 8 œ "
_ _
#8a b a b" "a b a b
a b1 1
1 1# #
o par
&Ñ 0 B œ"
#a b
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Funciones de más de una variable
Hasta el momento se han estudiado funciones de una sola variable, es decir, funciones de la formaC œ 0 B C B B −a b , donde la variable depende de la variable , . Se extenderá ahora este concepto a‘funciones de más de una variable. Por ejemplo À
22),( yxyxfz +== e variableslas de depende yxz
yzxzyxfw +== ),,( zyxw y , variableslas de depende
En estos casos los elementos del dominio de la función no serán números reales, sino elementosde otros espacios numéricos.
Si , entonces los elementos del dominio de son pares ordenados y , por lo tanto, seD œ 0 Bß C 0a bestá trabajando en el espacio numérico real bidimensional .a b‘#
Si , entonces los elementos del dominio de son triadas o ternas y , por lo tanto, seA œ 0 Bß Cß D 0a bestá trabajando en el espacio numérico real tridimensional .a b‘$
Concepto de función de dos variables
Sea un conjunto de pares ordenados reales. Si a cada par ordenado de le corresponde unH Hnúmero real , entonces se dice que es función de e El conjunto es el dominio de y el0 Bß C 0 B CÞ H 0a bconjunto de valores es el recorrido de 0 Bß C 0a bEjemplos À
"Ñ 0 À È‘ ‘# a b a bBß C È 0 Bß C œ B C # #
#Ñ 0 À È‘ ‘#
a b a bBß C È 0 Bß C œB C
BC
#
$Ñ 0 À È‘ ‘#
a b a bBß C È 0 Bß C œ/BC
B C
Concepto de función de tres variables
Sea un conjunto de ternas ordenadas reales. Si a cada terna ordenada de le corresponde unH Hnúmero real , entonces se dice que es función de El conjunto es el dominio de y el0 Bß Cß D 0 Bß Cß DÞ H 0a bconjunto de valores es el recorrido de 0 Bß Cß D 0a bEjemplos À
"Ñ 0 À È‘ ‘$ a b a bBß Cß D È 0 Bß Cß D œ B C D # # #
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#Ñ 0 À È‘ ‘$ a b a bBß Cß D È 0 Bß Cß D œB C
BC D
#
$Ñ 0 À È‘ ‘$
a b a b a ba bBß Cß D È 0 Bß Cß D œ-9= BC D
68 C D B
#
Dominio de funciones de dos variables
Para determinar el dominio de funciones de dos variables se deben considerar las mismasrestricciones que para funciones de una sola variable, es decir,
a) si la función está formada por una expresión que lleva una raiz cuadrada, entonces la cantidadsubradical debe ser mayor o igual a cero. b) si la función está formada por una fracción, entonces el denominador debe ser distinto de cero. c) si la función está formada por una fracción con raiz cuadrada en el denominador, entonces lacantidad subradical debe ser mayor que cero.
d) si la función está formada por una expresión que tenga logaritmo, entonces el argumento dellogaritmo debe ser mayor que cero.
Ejemplos:
Determinar el dominio de las siguientes funciones
"Ñ 0 Bß C œ #& B Ca b È # #
#& B C !# #
B C #& Î † "# # a b B C Ÿ #&# #
corresponde a todos los puntos del plano que forman una circunferencia centrada deB C œ #&# #
radio cinco.
corresponde a todos los puntos del plano que se encuentran en el interior de laB C #&# #
circunferencia de radio cinco.
H970 œ Bß C − Î Bß C{ se encuentra en y dentro de la circunferenciaa b a b‘#
}B C œ #&# #
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#Ñ 0 Bß C œ$B &C
B Ca b
B C Á !B Á C
corresponde a todos los puntos el plano que están en la recta B œ C B œ C
{ no está en la recta H970 œ Bß C − Î Bß C B œ C ×a b a b‘#
$Ñ 0 Bß C œ 68 #B Ca b a b #B C !
#B C
corresponde a todos los puntos del plano que están en la recta #B œ C C œ #B
corresponde a todos los puntos del plano que están bajo la recta #B C C œ #B
{ está bajo la recta H970 œ Bß C − Î Bß C C œ #B ×a b a b‘#
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58
%Ñ 0 Bß C œ*B #&C ##&
C B #a b È # #
*B #&C ##& !# #
*B #&C ##& Î À ##&# #
B C
#& * "
# #
corresponde a todos los puntos del plano que están en la elipseB C
#& * œ "
# #
B C
#& * œ "
# #
corresponde a todos los puntos del plano que están fuera de laB C
#& * "
# #
elipse B C
#& * œ "
# #
C B # Á !C Á B #
corresponde a todos los puntos del plano que están en la rectaC œ B #C œ B #
corresponde a todos los puntos del plano que no están en la rectaC Á B # C œ B #
{ está en y fuera de la elipse H970 œ Bß C − Î Bß C œ "B C
#& *a b a b‘#
# #
y no están en la recta C œ B # ×
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Ejercicios
Determine el dominio de las siguientes funciones À
+Ñ 0ÐBß CÑ œB C "
%C &B
# #
È
,Ñ 0ÐBß CÑ œ 68Ð* B $C Ñ# #
-Ñ 0ÐBß CÑ œB C $'
#B $C
È # #
#
.Ñ 0ÐBß CÑ œ/ C #B
68ÐC BÑ
È
Solución
está sobre la recta +ÑH970 œ Bß C − Î Bß C C œ B&
%œ a b a b‘#
está en el interior de la elipse ,ÑH970 œ Bß C − Î Bß C œ "B C
* $œ a b a b‘#
# #
está en y dentro de la circunferencia-ÑH970 œ Bß C − Î Bß Cœa b a b‘#
y no pertenece a la parábola B C œ $' C œ B#
$# # #
{ está sobre las rectas e y está en la.ÑH970 œ Bß C − Î Bß C C œ #B C œ Ba b a b‘#
recta C œ #B ×
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60
Derivadas Parciales
:por definidas
, funciones lasson a respectocon y a respectocon de Primerasparciales derivadas las entonces , variablesdos defunción una , ),( Sea
Conceptos
yx ffyxfyxfz =
siempre que exista el límite.
),(),(lim),(),(0 x
yxfyxxfyxfxz
xyxf
xx ∆
−∆+==
∂∂
=∂
∂→∆
yyxfyyxfyxf
yz
yyxf
yy ∆−∆+
==∂∂
=∂
∂→∆
),(),(lim),(),(0
Es decir, si entonces para determinar se considera constante la variable y seD œ 0 Bß C ß 0 Ca b B
deriva con respecto a . De la misma forma , para obtener se considera constante la variable y seB 0 BC
deriva con respecto a C
Ejemplos À
Obtener en 0 ß 0 ÀB C
"Ñ 0 Bß C œ $B #C (B %Ca b # $
0 œ 'B ( 0 œ 'C %B C#
#Ñ 0 Bß C œ #BC *B &Ca b $ %
0 œ #C #(B 0 œ #B #!CB C# $
$Ñ 0 Bß C œ $BC %Ba b a b# $
0 œ $ $BC %B $C % 0 œ ")BC $BC %BB C# # ## #a b a b a b
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%Ñ 0 Bß C œ#B &C
$B #Ca b $
0 œ 0 œ# $B #C $ #B &C "&C $B #C # #B &C
$B #C $B #CB C
$ # $
# #
a b a b a b a ba b a b
0 œ 0 œ%C "&C #!C %&BC %B
$B #C $B #CB C
$ $ #
# #a b a b &Ñ 0 Bß C œ BC B C B Ca b # $ % (
0 œ C #BC %B C 0 œ B $B C (B CB C$ $ ( # # % '
'Ñ 0 Bß C œ B/ >1 #B $CBCa b a b 0 œ / BC/ #=/- #B $C 0 œ B / $=/- #B $CBC BC BC
B C# # #a b a b
(Ñ 0 Bß C œ 68 B C =/8 BC BC -9= BCa b a b a b a b# #
0 œ C -9= BC C-9= BC BC =/8 BC#B
B CB # #
#a b a b a b 0 œ B -9= BC B-9= BC B C=/8 BC
#C
B CC # #
#a b a b a b
El concepto de derivada parcial también es posible extenderlo para una función de tres variables.
Sea , una función de tres variables, entonces las derivadas parciales primeras de A œ 0 Bß Cß D 0a bcon respecto a , a y a están definidas porB C D À
`0 Bß Cß D `A 0 B Bß Cß D 0 Bß Cß D
`B `B Bœ œ 0 Bß Cß D œ
B Ä !
a b a b a ba bB lim?
?
?
`0 Bß Cß D `A 0 Bß C Cß D 0 Bß Cß D
`C `C Cœ œ 0 Bß Cß D œ
C Ä !
a b a b a ba bC lim?
?
?
, z`0 Bß Cß D `A 0 Bß Cß D D 0 Bß Cß D
`D `D Dœ œ 0 Bß C œ
D Ä !
a b a b a ba bD lim?
?
?
siempre que el límite exista
Es decir, si para determinar se consideran constantes las variables y y seA œ 0 Bß Cß D 0 C DBa bderiva con respecto a la variable . De esta misma forma para obtener se consideran constantes lasB 0Cvariables y y se deriva con respecto a la variable . Por último, por igual camino para calcular seB D C 0Dconsideran constantes las variables e y se deriva con respecto a la variable .B C D
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Ejemplos À
Obtener en0 ß 0 ß 0 ÀB C D
"Ñ 0 Bß Cß D œ #B %C &D $B %C Da b # $ %
0 œ %B $ 0 œ "#C % 0 œ #!D "B C D# $
#Ñ 0 Bß Cß D œ BC $CD %BD BCDa b 0 œ C %D CD 0 œ B $D BD 0 œ $C %B BCB C D
$Ñ 0 Bß Cß D œ BC/ 68 B C DBDa b a b 0 œ C/ BCD/ BD "
B C DB
BD
0 œ B/ BD "
B C DC
0 œ B C/ BD "
B C DD
#
%Ñ 0 Bß Cß D œ$B &C
#C Da b
0 œ$
#C DB
0 œ œ & #C D # $B &C &D 'B
#C D #C DC # #
a b a ba b a b
0 œ$B &C
#C DD #a b
&Ñ 0 Bß Cß D œ 68 B C D =/8 $B C >1 &C %Da b a b a b a b# # #
0 œ $ -9= $B C#B
B C DB # # #
a b 0 œ -9= $B C &=/- &C %D
#C
B C DC # # #
#a b a b 0 œ %=/- $B C
#D
B C DD # # #
#a b
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'Ñ 0 Bß Cß D œ B/ C -9= BCD D BCDBCDa b a b È 0 œ / BCD/ C D =/8 BCD BCD BCD CD
# BCDB
##a b È
0 œ B D/ -9= BCD BCD =/8 BCD BCD BD
# BCDC
##a b a b È
0 œ B C/ BC =/8 BCD BCD BCD BCD
# BCDD
# # a b È È
(Ñ 0 Bß Cß D œ =/8 #B $C >1 $C %D 68 &D Ba b a b a b a b$ #$ %
0 œ '=/8 #B $C -9= #B $C )Ò68 &D B Ó †"
&D BB
# %a b a b a b a b 0 œ *=/8 #B $C -9= #B $C *Ò=/- $C %D Ó $C %DC
# # $ #a b a b a b a b 0 œ "#Ò=/- $C %D Ó $C %D %!Ò68 &D B Ó †
"
&D BD
# $ # %a b a b a b a b
Ejercicios
I Determine y en:0 0B C
+Ñ 0 Bß C œ $B %C B C BCa b # $
,Ñ 0 Bß C œ 68 $B 'C -9= $BC ' B >1 #C "!a b a b a b a b -Ñ 0 Bß C œ $B %C $B C %B )Ca b a bÈ ) ( '
.Ñ 0 Bß C œ(B )C
%C *Ba b
II Determine y en:0 ß 0 0B C D
+Ñ 0 Bß Cß D œ BCD 68 $B %C &D %B 'C *Da b a b ,Ñ 0 Bß Cß D œ %B *C (Da b È$ % % (
-Ñ 0 Bß Cß D œ -9= $B 'C (D / B C D-9= BCDa b a b a b $ % '
.Ñ 0 Bß Cß D œB68C D=/8C
C>1B BC/a b
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64
Solución
I +Ñ 0 œ $ #BC C 0 œ % B $BCB C$ # #
,Ñ 0 œ $C † =/8 $BC ' >1 #C "!$
$B 'CB a b a b
0 œ $B † =/8 $BC ' #B † =/- #C "!'
$B 'CC
#a b a b -Ñ 0 œ #% $B C #)B
$
# $B %CB
( 'È a b 0 œ ) $B C %)C
#
$B %CC
( &È a b .Ñ 0 œ 0 œ
"!!C "!!B
%C *B %C *BB C# #a b a b
II +Ñ 0 œ CD % 0 œ BD '$ %
$B %C &D $B %C &DB C
0 œ BC *&
$B %C &DD
,Ñ 0 œ 0 œ"'B $'C
$ %B *C (D $ %B *C (DB C
$ $
% % ( % % (# #É Éa b a b$ $
0 œ%*D
$ %B *C (DD
'
% % ( #Éa b$
-Ñ 0 œ $=/8 $B 'C (D CD † =/8 BCD † / $B C D-9= BCDB
# % 'a b a b a b 0 œ '=/8 $B 'C (D BD † =/8 BCD † / %B C D-9= BCD
C$ $ 'a b a b a b
0 œ (=/8 $B 'C (D BC † =/8 BCD † / 'B C D-9= BCDD
$ % &a b a b a b
.Ñ 0 œ68C C>1B BC/ B68C D=/8C C=/- B C/D
C>1B BC/DB
D #
#
a b a ba ba b
0 œ
B
C D-9=C C>1B BC/ B68C D=/8C >1B B/D D
C>1B BC/DC #
Œ a b a ba ba b
0 œ =/8C C>1B BC/ B68C D=/8C BC/D D
C>1B BC/DD #
a ba b a ba ba b
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Derivación implícita
Cuando no es posible despejar una variable en función de las restantes se usa el concepto dederivada implícita.
Si , es decir, es una función de dos variables que depende de e . Para obtener D œ 0 Bß C D B C`D
`Ba b
se considera constante la variable y se deriva implícitamente con respecto a . C D B
Para obtener se considera constante la variable y se deriva implícitamente con respecto a`D
`CB D
C.
Obtener , enEjemplo À À`D `D
`B `C
"Ñ B C D œ #&# # #
Para `D
`B
#B #D † œ ! Ê œ `D `D B
`B `B D
Para `D
`C
#C #D † œ ! Ê œ `D `D C
`C `C D
#Ñ >1 B C >1 C D œ "a b a b Para
`D
`B
=/- B C =/- C D † œ !`D
`B# #a b a b
`D =/- B C
`B =/- C Dœ
#
#
a ba b Para
`D
`C
=/- B C =/- C D † " œ !`D
`C# #a b a b Œ
`D =/- B C =/- C D
`C =/- C Dœ
# #
#
a b a ba b $Ñ D † / C † / / œ #BD CD BC
Para `D
`B
`D `D `D
`B `B `B† / D † / † D B † C † / † C/ œ !BD BD CD BCŒ #
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`D D / C/
`B / BD/ C /œ
BD BC
BD BD CD
#
#
Para `D
`C
`D `D `D
`C `C `C† / BD † / † / C † / † D C † B/ œ !BD BD CD CD BCŒ
`D / CD/ B/
`B / BD/ C /œ
CD CD BC
BD BD CD#
%Ñ / >1 CD œ 68 BCD -9= BDBCD a b a b a b Para
`D
`B
/ CD BC C=/- CD œ CD BC =/8 BD † D BBCD `D `D " `D `D
`B `B BCD `B `BŒ Œ Œ a b a b#
`D
`Bœ
"
B D=/8 BD CD/BCD
BC/ C=/- CD B=/8 BDBCD "
D
a ba b a b#
Para `D
`C
/ BD BC =/- CD D C œ BD BC B=/8 BDBCD `D `D " `D `D
`C `C BCD `C `CŒ Œ Œ a b a b#
`D
`Bœ
"
C D=/- CD BD/BCD
BC/ C=/- CD B=/8 BDBCD "
D
#
#
a ba b a b
Ejercicios
Obtener y en`D `D
`B `CÀ
+Ñ B %C *D œ $'# # #
,Ñ CD BD BC BCD œ !
-Ñ $B %C 'D œ '!% $ &
.Ñ #B C D œ 68D
/Ñ =/8ÐB CÑ -9=ÐC DÑ =/-ÐD BÑ œ "
0Ñ B/ C=/8 CD œ D>1 BDBC a b a b
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Solución
+Ñ œ œ`D B `D %C
`B *D `C *D
,Ñ œ œ`D CD D C `D BD D B
`B C B BC `C C B BC
-Ñ œ œ `D #B `D #C
`B &D `C &D
$ #
% %
.Ñ œ œ`D # `D "
`B `C" "
D D " "
/Ñ œ`D -9= B C =/- B D >1 B D
`B =/8 C D =/- B D >1 B D
a b a b a ba b a b a b
`D -9= B C =/8 C D
`C =/8 C D =/- B D >1 B Dœ
a b a ba b a b a b
0Ñ œ`D D =/- BD / BC/
`B C -9= CD >1 BD BD =/- BD
# # BC BC
# #
a ba b a b a b
`D B / =/8 CD CD -9= CD
`C >1 BD BD =/- BD C -9= CDœ
# BC
# #
a b a ba b a b a b
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Regla de la cadena
Teorema : Supóngase que ),( yxfz = , es una función de dos variables y que existen
y yz
xz
∂∂
∂∂
con ),( srfx = e ),( srfy = funciones de sr y para las cuales
existen las derivadas .,,,sy
ry
sx
rx
∂∂
∂∂
∂∂
∂∂
Luego, sz
rz
∂∂
∂∂ y existen y vienen dadas por:
sy
yz
sx
xz
sz
∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
=∂∂
ry
yz
rx
xz
rz
∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
=∂∂
Ejemplos
1) Determine en:`D
`<
D œ B C# #
B œ = <$ %
C œ =<
`D `D `B `D `C
`< `B `< `C `<œ † †
`D `D `B `C
`B `C `< `<œ #B œ #C œ %< œ =$
`D
`<œ #B %< #C =a b a ba bˆ ‰$
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69
2) Determine en:`D
`=
D œ C $B C$ #
B œ <-9= =a b C œ <=/8 =a b
`D `D `B `D `C
`= `B `= `C `=œ † †
`D `D `B `C
`B `C `= `=œ 'BC œ $C $B œ <=/8 = œ <-9= =# # a b a b
`D
`=œ 'BC <=/8 = $C $B <-9= =a ba b a ba b a bˆ ‰# #
3) Determine y en:`D `D
`+ `,
D œ =/8 #B $Ca b B œ >1 + /a b ,
C œ 68 " + -9= $,a b a b
`D `D `B `D `C
`+ `B `+ `C `+œ † †
`D `D
`B `Cœ #-9= #B $C œ $-9= #B $Ca b a b
`B `C "
`+ `+ " +œ =/- + œ #a b
`D "
`+ " +œ #-9= #B $C =/- + $-9= #B $C a b a b a ba b a bˆ ‰ Œ #
`D `D `B `D `C
`, `B `, `C `,œ † †
`D `D
`B `Cœ #-9= #B $C œ $-9= #B $Ca b a b
`B `C
`, `,œ / œ $=/8 $,, a b
`D
`+œ #-9= #B $C / $-9= #B $C $=/8 $,a b a ba ba b a b a bˆ ‰,
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70
El teorema también es aplicable para funciones de tres variables Si ),,( zyxfw = es una función de tres variables para la cual existen
zw
yw
xw
∂∂
∂∂
∂∂ ,, con ),(;),(;),( srfzsrfysrfx === .
Entonces w es función de sr y , luego
sw
rw
∂∂
∂∂ y existen y están definidas por:
rz
zw
ry
yz
rx
xw
rw
∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
=∂∂
sz
zw
sy
yz
sx
xw
sw
∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
+∂∂⋅
∂∂
=∂∂
:Ejemplos
1) Obtener en:`A
`<
A œ B #CD D# $
B œ -9= < /=a b C œ #< $= D œ 68 < >1 #=a b a b
`A `A `B `A `C `A `D
`< `B `< `C `< `D `<œ † † †
`A `A `A
`B `C `Dœ #B œ #D œ #C $D#
`B `C `D "
`< `< `< <œ =/8 < œ # œa b
`A "
`< <œ #B =/8 < #D # #C $Da ba b a ba ba b ˆ ‰Œ #
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71
2) Obtener en:`A
`=
A œ -9= B C Da b# $
B œ < =$ %
C œ =/8 $<#a b D œ >1 %= (a b'
`A `A `B `A `C `A `D
`= `B `= `C `= `D `=œ † † †
`A `A
`B `Cœ #B=/8 B C D œ =/8 B C Dˆ ‰ ˆ ‰# $ # $
`A
`Dœ $D =/8 B C D# # $ˆ ‰
`B `C `D
`= `= `=œ %< = œ ! œ #%=/- %= ( † %= ($ $ # ' &a b a b
`A
`=œ #B=/8 B C D %< = $D =/8 B C D #%=/- %= ( † %= (ˆ ‰ˆ ‰ ˆ ‰ˆ ‰ˆ ‰ ˆ ‰ a b a b# $ $ $ # # $ # ' &
3) Determine en :`A
`+
A œBC
D B œ +-9= , =/8 ,a b a b C œ 68 + +=/8 ,a b a b D œ #+ $,
`A `A `B `A `C `A `D
`+ `B `+ `C `+ `D `+œ † † †
`A C `A B `A BC
`B D `C D `D Dœ œ œ
#
`B `C " `D
`+ `+ + `+œ -9= , œ =/8 , œ #a b a b
`A C B " BC
`+ D D + Dœ -9= , =/8 , #Š ‹ Š ‹ Š ‹a b a b a ba b Œ #
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72
Otra aplicación de la regla de la cadena es la siguiente:
1) Sea ),( yxfz = una función de dos variables donde y yz
xz
∂∂
∂∂ existen,
con )(tfx = e )(tfy = , entonces z depende de t y tz∂∂ queda definida por:
dtdy
yz
dtdx
xz
dtdz
⋅∂∂
+⋅∂∂
=
2) Sea ),,( zyxfw = una función de tres variables donde zw
yw
xw
∂∂
∂∂
∂∂ y , existen,
con )(tfx = , )(tfy = y )(tfz = , entonces w depende de t y tw∂∂ queda definida por:
dtdz
zw
dtdy
yw
dtdx
xw
dtdw
⋅∂∂
+⋅∂∂
+⋅∂∂
=
Ejemplos
1) Determine en:.D
.>
D œ BC/BC
B œ > >% È C œ > † 68 > "$a b
.D `D .B `D .C
.> `B .> `C .>œ † †
`D `D
`B `Cœ C/ BC / œ B/ B C/BC BC BC BC# #
.B " .C "
.> .> > "œ %> œ 68 > " $> † 68 > " †
# >
$ $ #È a b a b .D " "
.> > "œ C/ BC / %> B/ B C/ 68 > " $> † 68 > " †BC BC BC BC
# >ˆ ‰ ˆ ‰ È Œ a b a b# $ # $ #
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73
Determine en:#Ñ.A
.>
A œ BCD
B œ > $> &(
C œ>
> $#
D œ E<-=/8 >a b
.A `A .B `A .C `A .D
.> `B .> `C .> `D .>œ † † †
`A `A `A
`B `C `Dœ CD œ BD œ BC
.B .C " > $ > #> .D "
.> .> .>œ (> $ œ œ
> $ " >
'#
# # #
a b a ba b È
.A $ > "
.>œ CD (> $ BD BC
> $ " >a b a b a bˆ ‰ a b È'
#
# # #
Ejercicios Determine À
si si+Ñ ,Ñ`A .E
`< .>
A œ 68ÐB C Ñ E œ B C #B $C# # $ $ È B œ < -9= > B œ E<->1 > -9=> =/8>a b C œ < =/8 > C œ > † >1 >a b
si Hallar en el punto si-Ñ ß ß .Ñ Ð"ß "ß "Ñ`? `? `? `A
` ` ` `B3 ) 9
? œ B #C #D D œ -9=# # # 3 9
B œ -9= =/8 A œ -9= +,3 ) 9 a b C œ =/8 =/8 + œ BCD3 ) 9 , œ
%ÐB C Ñ
1# #
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74
Solución
+Ñ œ -9= > =/8 >`A #B #C
`< B C B CŒ Œ # # # #
,Ñ œ $B =/8 > -9= >`E B "
`> " >#B $C È Œ # # ##
$C >1 > > =/- >$
# #B $C È a b# #
-Ñ œ #B -9= =/8 %C =/8 =/8 %D -9=`?
`3) 9 ) 9 9a ba b a ba b a ba b
`?
`œ #B =/8 =/8 %C -9= =/8
)3 ) 9 3 ) 9a ba b a ba b
`?
`œ #B -9= -9= %C =/8 -9= %D =/8
93 ) 9 3 ) 9 9a ba b a ba b a ba b
.Ñ "ß "ß " œ !`A
`Ba b
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75
Aplicaciones de la regla de la cadena
A) Problemas con enunciado
1) En cierto instante, el radio de la base de un cilindro recto es de 12 cm. y la altura es de 36 cm..En ese instante, el radio decrece a razón de 5 cm/seg. y la altura crece a razón de 4 cm/seg.¿Con quérapidez cambia el volumen en ese momento?
Z œ < 2 Z œ 0 <ß 21 # a b cm
cmseg
< œ 0 > œ & < œ "#.<
.>a b
cmcmseg
2 œ 0 > œ % 2 œ $'.2
.>a b
.Z `Z .< `Z .2
.> `< .> `2 .>œ † †
.Z .< .2
.> .> .>œ # <2 † < †a b ˆ ‰1 1 #
.Z
.>œ )'% † & "%% † %a b a b a b a b1 1
.Z
.>œ %$#! &('1 1
.Z
.>œ $(%%1
El volumen decrece a razón de cm /seg$(%%1 3
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76
2) En cierto instante, el ángulo de un triángulo tiene 60º y crece a razón de 5 grados/seg.,!el lado c mide 10 cm. y crece a razón de 1 cm/seg y el lado b mide 16 cm y decrece a razón de cm/seg."
#
Hallar la velocidad de variación del lado a.
Por teorema del coseno
+ œ , - #,- † -9=# # # ! ; ; ; + œ 0 ,ß -ß , œ 0 > - œ 0 > œ 0 >a b a b a b a b! !
+ œ , - #,- † -9=È # # !
º cm grados cm
seg seg!
!œ '! œ & , œ "' œ
. ., "
.> .> #
cm cmseg
- œ "! œ ".-
.>
.+ `+ . `+ ., `+ .-
.> ` .> `, .> `- .>œ † † †
!
!
.+ ,- † =/8 . , - † -9= ., - , † -9= .-
.> .> .> .>œ
, - #,- † -9= , - #,- † -9= , - #,- † -9= È È È! ! ! !
! ! !# # # # # #
.+ " "
.> #œ ,- † =/8 & , - † -9= - , † -9= "
, - #,- † -9=È ” •a ba b a b a ba bŒ # # !
! ! !
.+ " ""
.> "% #œ # %!! $Œ È
.+ " (
.> "% #œ %!! $Œ È
El lado a crece a razón de cmseg
" (
"% # %!! $Œ È
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77
3) Una caja rectangular cambia de tamaño en tal forma que su longitud crece a razón de 3 cm/seg,su ancho decrece a razón de 2 cm/seg y su altura crece a razón de 1 cm/seg a)¿Cuál es la rapidez de variación del volumen en el instante en que la longitud es 15, el ancho es10 y la altura es 8 cm.? b) ¿Con qué rapidez cambia el área total en ese mismo instante?
+Ñ Z œ 6+2 Z œ 0 +ß 6ß 2a b ;
cm cmseg seg
+ œ "! œ # 6 œ "& œ $.+ .6
.> .>
cmseg
2 œ ) œ ".2
.>
.Z `Z .+ `Z .6 `Z .2
.> `+ .> `6 .> `2 .>œ † † †
.Z .+ .6 .2
.> .> .> .>œ 62 +2 6+a b a b a b
.Z
.>œ "#! # )! $ "&! "a ba b a ba b a ba b
El volumen crece a razón de 150 cm /seg..Z
.>œ "&! 3
,ÑE œ #+6 #+2 #62
.E `E .+ `E .6 `E .2
.> `+ .> `6 .> `2 .>œ † † †
.E .+ .6 .2
.> .> .> .>œ #6 #2 #+ #2 #+ #6a b a b a b
.E
.>œ %' # $' $ &! "a ba b a ba b a ba b
El área total crece a razón de 66 cm /seg..E
.>œ '' 2
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78
Ejercicios
La altura de un cono circular recto es 200 cm. y está creciendo a razón de 40 cm/min. El"Ñradio de la base es 60 cm. y decrece a razón de 15 cm/min. ¿ Con qué rapidez varía el volumen del conoen ese instante ?
Las dimensiones de un sólido rectangular en un instante dado son largo 15 cm., ancho 8#Ñ Àcm. y alto 12 cm. Si el largo y el alto decrecen a razón de 2 y 3 cm/seg ,respectivamente, y el ancho crecea razón de 5 cm/seg. Calcular la razón de cambio del:
volumen.+Ñ
área total si el sólido es sin tapa.,Ñ
área total si el sólido es con tapa.-Ñ
Las dimensiones de un cilindro recto, en un instante dado son radio 16 cm. y altura 50 cm. Si el$Ñradio crece a razón de 4 cm/seg y la altura decrece a razón de 10 cm/seg. Determinar la razón de cambiodel À
volumen.+Ñ
área total , si el cilindro no tiene tapa.,Ñ
área lateral, si el cilindro tiene tapa.-Ñ
Solución
El volumen del cono decrece a razón de cm /min."Ñ (#Þ!!! 1 3
#Ñ El volumen del sólido rectangular crece a razón de cm /seg.+Ñ $%) 3
El área total del sólido rectangular decrece a razón de cm /seg si el sólido es sin ,Ñ ( #
tapa.
El área total del sólido rectangular crece a razón de cm /seg si el sólido es con tapa.-Ñ &# #
$Ñ El volumen del cilindro crece a razón de cm /seg.+Ñ $)%! 1 3
El área total del cilindro crece a razón de cm /seg .,Ñ #!) #
El área lateral del cilindro crece a razón de cm /seg .-Ñ )! #
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79
B) Demostraciones
Sea . Haciendo "Ñ A œ 0 C B >ß D C > ? œ C B > à @ œ D C >a bDemostrar que
`A `A `A `A
`B `C `D `> # œ !
con y A œ 0 ?ß @ ? œ C B > @ œ D C >a b
`A `A `? `A `@
`B `? `B `@ `Bœ † †
`A `A `A `A `A
`B `? `@ `B `?œ " ! Ê œ a b a b
`A `A `? `A `@
`C `? `C `@ `Cœ † †
`A `A `A `A `A `A
`C `? `@ `C `? `@œ " " Ê œ a b a b
`A `A `? `A `@
`D `? `D `@ `Dœ † †
`A `A `A `A `A
`D `? `@ `D `@œ ! " Ê œa b a b
`A `A `? `A `@
`> `? `> `@ `>œ † †
`A `A `A `A `A `A
`> `? `@ `> `? `@œ " " Ê œ a b a b
`A `A `A `A `A `A `A `A `A `A
`B `C `D `> `? `? `@ `@ `? `@ # œ # #
Por lo tanto, `A `A `A `A `A `A `A `A
`B `C `D `> `B `C `D `> # œ ! # œ !
2) Suponga que donde y son constantes. Demostrar que:? œ 0 B +>ß C ,> ß + ,a b
`? `? `?
`> `B `Cœ + † , †
Sea y: œ B +> ; œ C ,>
`? `? `: `? `;
`> `: `> `; `>œ † †
`? `? `? `? `? `?
`> `: `; `> `: `;œ + , Ê œ + ,a b a b
`? `? `: `? `;
`B `: `B `; `Bœ † †
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`? `? `? `? `?
`B `: `; `B `:œ " ! Ê œa b a b
`? `? `: `? `;
`C `: `C `; `Cœ † †
`? `? `? `? `?
`C `: `; `C `;œ ! " Ê œa b a b
`? `? `?
`> `B `Cœ + † , †
+ , œ + ,`? `? `? `?
`: `; `: `;
Por lo tanto, `? `? `?
`> `B `Cœ + † , †
3) Para con e , demostrar que:A œ 0 Bß C B œ <-9= C œ <=/8a b ) )
Œ Œ Œ Œ Œ `A `A `A " `A
`B `C `< < ` œ
# # # #
# )
`A `A `B `A `C
`< `B `< `C `<œ † †
`A `A `A
`< `B `Cœ † -9= † =/8a b a b) )
Œ Œ Œ `A `A `A `A `A
`< `B `B `C `Cœ -9= # † -9= =/8 =/8
# # ## #) ) ) )
`A `A `B `A `C
` `B ` `C `œ † †
) ) )
`A `A `A
` `B `Cœ † <=/8 † <-9=
)) )a b a b
Œ Œ Œ `A `A `A `A `A
` `B `B `C `Cœ < =/8 #< † -9= =/8 < -9=
)) ) ) )
# # ## # # # #
Œ Œ Œ Œ " `A `A `A `A `A
< ` `B `B `C `Cœ =/8 # † -9= =/8 -9=
#
# # ## #
)) ) ) )
Œ Œ Œ Œ Œ a b a b`A " `A `A `A
`< < ` `B `C œ -9= =/8 =/8 -9=
# # # #
## # # #
)) ) ) )
Œ Œ Œ Œ Œ `A " `A `A `A
`< < ` `B `C œ
# # # #
# )
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Por lo tanto, Œ Œ Œ Œ Œ `A `A `A " `A
`B `C `< < ` œ
# # # #
# )Ejercicios
Si tiene derivadas parciales continuas respecto a"Ñ A œ 0ÐB Cß B CÑ
? œ B C ß @ œ B CÞ
Pruebe que `A `A `A `A
`B `C `? `@† œ
# #Œ Œ
Si y con #Ñ + œ 0ÐBß CÑ , œ 1ÐBß CÑ B œ < -9= > à C œ < =/8 >
Demuestre que y a` " `, `, " `+
`< < `> `< < `>œ œ
Solución
Se cumple"Ñ
Sugerencia: Efectúe las siguientes condiciones:#Ñ
y `+ `, `+ `,
`B `C `C `Bœ œ
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Derivada direccional
La derivada direccional es una generalización de la derivada parcial que permite obtener la razónde cambio de una función con respecto a la distancia en cualquier dirección. Así la derivada parcial conrespecto a puede considerarse como la derivada en la dirección y la derivada parcial con respecto a B B Cpuede considerarse como la derivada en la dirección .C
Sea una función de dos variables y sea un vector unitario.D œ 0 Bß C ? œ -9= 3 =/8 4a b p) )
Entonces la derivada direccional de en la dirección de , denotada por es0 ? H 0 Bß C Àp
? a b
si existe el límiteH 0 Bß C œ2 Ä !
0 B 2-9= ß C 2=/8 0 Bß C
2? a b a b a b
lim) )
Si y se obtiene? œ 3 Ê œ ! Ê -9=! œ " à =/8! œ ! Àp
)
H 0 Bß C œ œ2 Ä !
0 B 2ß C 0 Bß C `0
2 `B3 a b a b a b
lim
Si y se obtiene? œ 4 Ê œ Ê -9= œ !à =/8 œ " À# # #
p)
1 1 1
H 0 Bß C œ œ2 Ä !
0 Bß C 2 0 Bß C `0
2 `C4 a b a b a b
lim
Así, y son casos especiales de la derivada direccional.`0 `0
`B `C
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83
Teorema: Si ),( yxf y sus derivadas parciales son continuas y
jseni θθµ += cosr , entonces:
θθµ senyxfyxfD yx ),(cos),( +=r
Ejemplos
1) Dada la función , hallar la derivada direccional de en la dirección0 Bß C œ B C #B #C 0a b # #
) 1œ # Î$ #ß & en el punto a b0 Bß C œ #B # Ê 0 #ß & œ #B Ba b a b 0 Bß C œ #C # Ê 0 #ß & œ "#C Ca b a b
? œ -9= 3 =/8 4 Ê ? œ 3 4# # " $
$ $ # #
p pŒ Œ È1 1
H 0 #ß & œ # "#" $
# #? a b a b a bŒ È
H 0 #ß & œ " ' $? a b È
2) Calcular la derivada direccional de en en la dirección de 0 Bß C œ C -9=#B Î'ß " @ œ $3 %4a b a b# p1
0 Bß C œ #C =/8 #B Ê 0 Î'ß " œ # " =/8 œ $$
B B# #a b a b a b Š ‹ È 1
1
0 Bß C œ #C -9= #B Ê 0 Î'ß " œ # " -9= œ "$
C Ca b a b a b Š ‹ 11
m@m œ * "' œ & ß @ ? œ Ê ? œ 3 4@ $ %
m@m & &
p p p p
pÈ no es unitario,
H 0 Î'ß " œ $ " $ %
& &? a b a bŠ ‹È Œ Œ 1
H 0 Î'ß " œ $ $ %
&? a b È
1
Este concepto también es aplicable para funciones de tres variables. En , la dirección de un‘3
vector está determinado por sus cosenos directores, es decir À, ? œ -9= 3 -9= 4 -9= 5! " #
Sea una función de tres variables y unConcepto À 0 Bß Cß D ? œ -9= 3 -9= 4 -9= 5a b p! " #
vector unitario, entonces la derivada direccional en dirección de está dada por? Àp
si existe elH 0 Bß Cß D œ0 B 2-9= ß C 2-9= ß D 2-9= 0 Bß Cß D
2?
2Ä!a b a b a b
lim! " #
límite
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Teorema: Si ),,( zyxf es una función de tres variables y
kji γβαµ coscoscos ++=r , entonces:
γβαµ cos),,(cos),,(cos),,(),,( zyxfzyxfzyxfzyxfD zyx ++=r
Ejemplos À
1) Dada la función . Encontrar la derivada direccional de en0 Bß Cß D œ B BC BD C D 0 Bß Cß Da b a b# # #
T "ß #ß " @ œ #3 4 #5a b en la dirección del vector p
0 Bß Cß D œ #B C D Ê 0 "ß #ß " œ "B Ba b a b
0 Bß Cß D œ B #C Ê 0 "ß #ß " œ $C Ca b a b
0 Bß Cß D œ B #D Ê 0 "ß #ß " œ "D Da b a b
m@m œ % " % œ $ ß @ ? œ Ê ? œ 3 4 5@ # " #
m@m $ $ $
p p p
pÈ no es unitario,
H 0 Bß Cß D œ " $ " # " #
$ $ $? a b a b a b a bŒ Œ Œ
H 0 Bß Cß D œ "? a b
2) Hallar la derivada direccional si en en la dirección del vector0 Bß Cß D œ / -9= B / =/8 C T !ß !ß #a b a bC D
TU U #ß "ß #p
si a b0 Bß Cß D œ / =/8B Ê 0 !ß !ß # œ !B B
Ca b a b
0 Bß Cß D œ / -9= B / -9= C Ê 0 !ß !ß # œ " /C CC D #a b a b
0 Bß Cß D œ / =/8 C Ê 0 !ß !ß # œ !D DDa b a b
TU œ U T œ #ß "ß # !ß !ß # œ #ß "ß !Ä a b a b a b
m@m œ % " ! œ &ß @ ? œ Ê ? œ 3 4@ # "
m@m & &
p p p pp
pÈ È È È no es unitario,
H 0 Bß Cß D œ ! " / ! !# "
& &?
#a b a b a b a ba b È ÈH 0 Bß Cß D œ
" /
&?
#a b È
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Ejercicios
Determine la derivada direccional si se conoce la función, el punto en que se ha de evaluar y ladirección o vector.
el punto es y la dirección +Ñ 0 Bß C œ ß "ß # œC $
B C %a b a b ! 1
el punto es y la dirección ,Ñ 0 Bß C œ B BC C ß $ß " œ&
'a b a b# # ! 1
el punto es y la dirección -Ñ 0 Bß C œ C B-9= ÐBCÑ ß !ß ! œ#
$a b a b ! 1
el punto es y el vector .Ñ 0 Bß C œ #B $BC C ß "ß " @ œ 3 4a b a b# # p
el punto es y el vector /Ñ 0 Bß Cß D œ BE<->1ÐCDÑ ß %ß "ß " @ œ Ò#ß "ß "Óa b a b p
el punto es y el vector 0Ñ 0 Bß Cß D œ ß Ð#ß $ß &Ñ @ œ 5BC
Da b p
el punto es y el vector está en la dirección 1Ñ 0 Bß Cß D œ 68ÐB C D Ñ ß !ß "ß ! TUa b a b# #Ä
si yT !ß "ß ! U $ß %ß "a b a b el punto es y el vector está en la dirección 2Ñ 0 Bß Cß D œ ß "ß "ß " EF
B C D
68ÐB C DÑa b a bÈ # # # Ä
si yE #ß "ß " F "ß !ß #a b a b
Solución
+ÑH 0 "ß # œ ,ÑH 0 $ß " œ# & ( $
' #? ?a b a bÈ È
-ÑH 0 !ß ! œ .ÑH 0 "ß " œ # #$ "
#? ?a b a bÈ È
/ÑH 0 %ß "ß " œ 0ÑH 0 #ß $ß & œ ' '
"# #&? ?a b a bÈ 1
1ÑH 0 !ß "ß ! œ 2ÑH 0 "ß "ß " œ$ 68$ "
"* $ 68 $? ? #
a b a bÈ a b
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Gradientes
1) De H 0 Bß C œ 0 Bß C -9= 0 Bß C =/8? B Ca b a b a b) ) œ Ò0 Bß C ß 0 Bß C Ó † Ò -9= ß =/8 ÓB Ca b a b ) )
œ Ò0 Bß C ß 0 Bß C Ó † ?B Cpa b a b
El vector jyxfiyxf yx ),(),( +
se conoce como vector gradiente
jyxfiyxfyxfyxfgrad yx ),(),(),(),( +=∇= jyxfiyxfyxfyxfgrad yx ),(),(),(),( +=∇=
De #Ñ H 0 Bß Cß D œ 0 Bß Cß D -9= 0 Bß Cß D -9= 0 Bß Cß D -9=? B C Da b a b a b a b! " # œ Ò0 Bß Cß D ß 0 Bß Cß D ß 0 Bß Cß D Ó † Ò -9= ß -9= ß -9= ÓB C Da b a b a b ! " #
œ Ò0 Bß Cß D ß 0 Bß Cß D ß 0 Bß Cß D Ó † ?B C Dpa b a b a b
El vector kzyxfjzyxfizyxf zyx ),,(),,(),,( ++
se conoce como vector gradiente kzyxfjzyxfizyxfzyxfzyxfgrad zyx ),,(),,(),,(),,(),,( ++=∇=
Así ß H 0 Bß C œ ? † f0 Bß C?pa b a b
H 0 Bß Cß D œ ? † f0 Bß Cß D?pa b a b
Sea la medida en radianes del ángulo formado por los vectores y entonces! ? f0ßp
, pero ? † f0 œ m?m † mf0m † -9= m?m œ "p p p
!
? † f0 œ mf0m † -9=p
!
Si entonces alcanza su máximo valor, es decir, la derivada direccional alcanza su! œ !ß -9=! œ "
máximo valor cuando está en la misma dirección y sentido que ? f0p
),,(),,(Máx
),( ),(Máx
zyxfzyxfD
yxfyxfD
∇=
∇=
µ
µ
r
r
Si ° entonces ° alcanza su mínimo valor, es decir, la derivada direccional! œ ")! ß -9=")! œ "
alcanza su mínimo valor cuando está en la misma dirección, pero sentido contrario con ? f0p
),,(),,(Mín
),( ),(Mín
zyxfzyxfD
yxfyxfD
∇−=
∇−=
µ
µ
r
r
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Ejemplos À
1) La temperatura en cualquier punto de una placa rectangular situada en el plano es T Bß C BCa b X Bß C œ
C
B Ca b
# #
a) Determine el vector gradiente en el punto T $ß %a b b) Obtener la máxima derivada direccional de la temperatura en este punto c) Hallar la dirección donde se produce la máxima razón de cambio en este punto
+Ñ X Bß C œ Ê X $ß % œ#BC #%
B C '#&B B
# # #a b a ba b
X Bß C œ Ê X $ß % œ B C #C (
B C '#&C C
# # #
# # #a b a ba b
a b fX $ß % œ ß
#% (
'#& '#&a b ” •
Máx,Ñ H X $ß % œ mfX $ß % m œ œ#% ( "
'#& '#& #&?
# #a b a b ËŒ Œ
-Ñ ? œ œ œ ßfX $ß % #% (
mfX $ß % m #& #&
#% (
'#& '#&ß
"
#&
p a ba b” • ” •
2) Si volts es el potencial eléctrico en cualquier punto en y Z T Bß Cß D Z œ'!
B C Da b È‘3
# # #
Þ ÀEncontrar a) Rapidez de cambio del potencial en el punto en la dirección del vectora b "ß "ß "
@ œ $3 '4 #5p
b) Magnitud y dirección de la mínima razón de cambio del potencial en este mismo punto.
+Ñ Z Bß Cß D œ Ê Z "ß "ß " œ œ $'!B '! #!
B C D $ $ $B B
# # # $a b a bÉa b È È
Z Bß Cß D œ Ê Z "ß "ß " œ œ $'!C '! #!
B C D $ $ $C C
# # # $a b a bÉa b È È
Z Bß Cß D œ Ê Z "ß "ß " œ œ $'!D '! #!
B C D $ $ $Da b a bÉa b È È
# # # $D
fZ "ß "ß " œ $ß $ß $#! #! #!
$ $ $a b ” •È È È
no es unitario, m@m œ * $' % œ ( @ ? œ 3 4 5$ ' #
( ( (
p p pÈ
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H Z "ß "ß " œ $ß $ß $ † ß 4 ß 5#! #! #! $ ' #
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p a ba b” •È È È
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Ejercicios
Obtener el gradiente de la función y el valor de la máxima derivada direccional en el punto"Ñindicado À +Ñ 0 Bß C œ B -9=ÐBCÑ T Ð"ß Î% Ña b # 1 ,Ñ 0 Bß C œ B C B C TÐ$ß %Ña b È -Ñ 0 Bß Cß D œ / D T Ð!ß $ß "ÑBCa b #
Obtener el gradiente de la función y el valor de la mínima derivada direccional en el punto#Ñindicado À +Ñ 0 Bß C œ B BC C T "ß "a b a b# #
,Ñ 0 Bß Cß D œ ÐB CÑ ÐC DÑ ÐD BÑ T #ß "ß #a b a b# # #
$Ñ La densidad , en cualquier punto de una placa rectangular, en el plano , es+Ñ ÐBß CÑ BC
H Bß C œ ÞBC
B C $a b È # #
Halle la razón de cambio de la densidad en el punto 2,3 en la dirección de +Þ"Ñ œ & Î$Þa b ! 1 Determine la dirección y magnitud de la máxima razón de cambio de la densidad en ese+Þ#Ñpunto.
Suponga que la temperatura en cualquier punto está dada,Ñ Bß Cß Da bpor À X Bß Cß D œ B C CD /BCa b #
Determinar la razón de cambio de en el punto P 1,1,1 en la dirección del vector OP donde,Þ"Ñ X a b p
O es el origen del sistema. ¿Cuál es la mínima razón de cambio en P?.¿ En qué dirección?.,Þ#Ñ El potencial eléctrico es en volts en el plano y -Ñ Z Bß C BC Z Bß C œ $B C %C BCa b a b a b $ #
-Þ"ÑDetermine la razón de cambio del potencial en la dirección del vector CDp
con en el punto G #ß " àH 'ß # "ß % Þa b a b a b-Þ#ÑObtener el vector gradiente en este mismo punto.
Determine la dirección y magnitud de la máxima razón de cambio del potencial en-Þ$Ña b "ß % Þ Hallar un vector unitario ortogonal al vector gradiente en . Con ese vector calcule-Þ%Ñ "ß %a bla derivada direccional en el mismo punto.
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Solución
"Ñ +Ñf0 "ß Î% œ # ß # #
) # a b È È
11
MáxH 0 "ß Î% œ# † "' # "%%
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#a b È ÈÉ1
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pa b È È È los vectores unitarios ortogonales al gradiente son -Þ%Ñ
È È È È"( "' "( "'
&%& &%& &%& &%&ß ß
El valor de la derivada direccional en ambos casos es cero.
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Derivadas Parciales de orden superior
Si es una función de dos variables, es decir, , entonces y son funciones0 D œ 0 Bß C`0 `0
`B `Ca b
también de dos variables. Luego, es posible volver a derivarlas y obtener así las derivadas parciales desegundo orden que se definen como:
+Ñ œ œ 0 œ` 0 0 B 2ß C 0 Bß C ` 0
`B 2 `B2 Ä !
a b a b a bB B BBB
#
#lim
,Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß C 2 0 Bß C
`C 2 `C2 Ä !
` 0a b a b a bC C CCC
#
#lim
-Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß C 2 0 Bß C ` 0
`C 2 `C`B2 Ä !
a b a b a bB B BBC
#
lim
.Ñ œ œ 0 œ` 0 0 B 2ß C 0 Bß C
`B 2 `B`C2 Ä !
` 0a b a b a bC C CCB
#
lim
: Para funciones continuas . En este curso sólo se trabajará con funciones continuas.Nota 0 œ 0BC CB
:Ejemplos
Dada la función, obtener 0 ß 0 ß 0BB CC BC
"Ñ 0 Bß C œ #B $B C BC $Ca b $ # # #
0 œ 'B 'BC C 0 œ $B #BC 'CB C# # #
0 œ "#B 'C 0 œ #B 'BB CC
0 œ 'B #CBC
#Ñ 0 Bß C œ / -9=B =/8Ca b a bBC
0 œ C/ -9=B =/8C / † =/8BBBC BCa b
0 œ B/ -9=B =/8C / † -9=CCBC BCa b
0 œ C / -9=B =/8C C/ † =/8B C/ † =/8B / † -9=BBB# BC BC BC BCa b
0 œ B / -9=B =/8C B/ † -9=C B/ † -9=C / † =/8CCC# BC BC BC BCa b
0 œ / -9=B =/8C BC/ -9=B =/8C C/ † -9=C B/ † =/8BBCBC BC BC BCa b a b
Este concepto también se puede extender para funciones de tres variables
Sea una función de tres variables con , y funciones también de tresA œ 0 Bß Cß D`0 `0 `0
`B `C `Da b
variables, entonces las segundas derivadas parciales se definen como:
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+Ñ œ œ 0 œ` 0 0 B 2ß Cß D 0 Bß Cß D ` 0
`B 2 `B2 Ä !
a b a b a bB B BBB
#
#lim
,Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß C 2ß D 0 Bß Cß D
`C 2 `C2 Ä !
` 0a b a b a bC C CCC
#
#lim
-Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß Cß D 2 0 Bß Cß D ` 0
`D 2 `D2 Ä !
a b a b a bD D DDD
#
#lim
.Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß C 2ß D 0 Bß Cß D ` 0
`C 2 `C`B2 Ä !
a b a b a bB B BBC
#
lim
/Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß Cß D 2 0 Bß Cß D ` 0
`D 2 `D`B2 Ä !
a b a b a bB B BBD
#
lim
0Ñ œ œ 0 œ` 0 0 B 2ß Cß D 0 Bß Cß D
`B 2 `B`C2 Ä !
` 0a b a b a bC C CCB
#
lim
1Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß Cß D 2 0 Bß Cß D
`D 2 `D`C2 Ä !
` 0a b a b a bC C CCD
#
lim
2Ñ œ œ 0 œ` 0 0 B 2ß Cß D 0 Bß Cß D ` 0
`B 2 `B`D2 Ä !
a b a b a bD D DDB
#
lim
3Ñ œ œ 0 œ` 0 0 Bß C 2ß D 0 Bß Cß D ` 0
`C 2 `C`D2 Ä !
a b a b a bD D DDC
#
lim
: Para funciones continuas . En este curso sólo se trabajaráNota 0 œ 0 ß 0 œ 0 ß 0 œ 0BC CB BD DB CD DC
con funciones continuas.
Ejemplos
Para las siguientes funciones, determinar 0 ß 0 ß 0 ß 0 ß 0 ß 0BB CC DD BC BD CD
"Ñ 0 Bß Cß D œ B $B C C $C D D BD CDa b $ # $ # # #
0 œ $B 'BC D 0 œ $B $C 'CD DB C# # # #
0 œ $C #D #BD CD#
0 œ 'B 'C 0 œ 'C 'DBB CC
0 œ # #B 0 œ 'BDD BC
0 œ #D 0 œ 'C "BD CD
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#Ñ 0 Bß Cß D œ / † -9=D / † =/8B / † >1 Ca b B C D
0 œ / † -9=D / † -9=B 0 œ / † =/8B / † =/- CB CB C C D #
0 œ / † =/8D / † >1 CDB D
0 œ / † -9=D / =/8B 0 œ / † =/8B #/ † =/- C † >1 CBB CCB C C D #
0 œ / † -9=D / † >1 C 0 œ / † -9=BDD BCB D C
0 œ / † =/8D 0 œ / † =/- CBD CDB D #
Ejercicios
1) En la ecuación de Laplace es‘# À
` 0 ` 0
`B `C œ !
# #
# #
Demuestre que las siguientes funciones cumplen esta ecuación
+Ñ 0ÐBß CÑ œ 68ÐB C Ñ# #
,Ñ 0ÐBß CÑ œ E<->1 C B
B B CŠ ‹
# #
-Ñ 0ÐBß CÑ œ / † =/8 C / † =/8 BB C
.Ñ 0ÐBß CÑ œ E<->1#BC
B CŒ # #
2) En la ecuación de Laplace es‘$ À
` 0 ` 0 ` 0
`B `C `D œ !
# # #
# # #
Demuestre que la función cumple con esta ecuación.0ÐBß Cß DÑ œ"
B C DÈ # # #
Solución
Cada una de las funciones cumple con la ecuación de Laplace, tanto en como en .‘ ‘# 3
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Máximos y mínimos para funciones de varias variables
:Conceptos
1) Si es una función de dos variables, entonces se dice que el punto [ ]D œ 0 Bß C B ß C ß 0 B ß Ca b a b! ! ! !
es un punto de de si, y sólo simáximo relativo 0 Bß Ca b a Bß C − H970 Bß C ß 0 Bß C Ÿ 0 B ß Ca b a b a b a b! !
) Si es una función de dos variables, entonces se dice que el punto [ ]# D œ 0 Bß C B ß C ß 0 B ß Ca b a b! ! ! !
es un punto de de si, y sólo simínimo relativo 0 Bß Ca b a Bß C − H970 Bß C ß 0 Bß C 0 B ß Ca b a b a b a b! !
) Si es una función de dos variables, entonces se dice que el punto [ ] es$ D œ 0 Bß C +ß ,ß 0 +ß ,a b a bun de si, y sólo si punto crítico 0 Bß C f0 +ß , œ Ò !ß ! Óa b a b Si [ ] es un punto crítico de , entonces se dice que [ ] es un%Ñ +ß ,ß 0 +ß , 0 Bß C +ß ,ß 0 +ß ,a b a b a bmáximo relativo de si 0 Bß C a Bß C − H970 Bß C ß 0 Bß C Ÿ 0 +ß ,a b a b a b a b a b Si [ ] es un punto crítico de , entonces se dice que [ ] es un&Ñ +ß ,ß 0 +ß , 0 Bß C +ß ,ß 0 +ß ,a b a b a bmínimo relativo de si 0 Bß C a Bß C − H970 Bß C ß 0 Bß C 0 +ß ,a b a b a b a b a b Si [ ] es un punto crítico de , entonces se dice que [ ] es un %Ñ +ß ,ß 0 +ß , 0 Bß C +ß ,ß 0 +ß ,a b a b a b puntode silla de si [ ] no es máximo ni mínimo.0 Bß C +ß ,ß 0 +ß ,a b a b
Hessiano de una función de dos variables
Sea una función de dos variables, se define el Hessiano como:D œ 0 Bß Ca b L Bß C œ
0 00 0
a b Œ BB BC
CB CC
: Criterio de la Segunda derivadaTeorema a b Si [ ] es un punto crítico, entonces:+ß ,ß 0 +ß ,a b 1) [ ] es un de si, y sólo si+ß ,ß 0 +ß , 0 Bß Ca b a bmínimo relativo
¸ ¸a b a bL +ß , ! • 0 +ß , !BB
2) [ ] es un de si, y sólo si+ß ,ß 0 +ß , 0 Bß Ca b a bmáximo relativo
¸ ¸a b a bL +ß , ! • 0 +ß , !BB
[ ] es un de si, y sólo si$Ñ +ß ,ß 0 +ß , 0 Bß Ca b a bpunto de silla
¸ ¸a bL +ß , !
No hay información si %Ñ L +ß , œ !¸ ¸a b
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:Ejemplos
Estudiar los máximos y mínimos relativos de las funciones:
"Ñ 0 Bß C œ & B Ca b # #
0 œ #B 0 œ #CB C
0 œ ! Ê #B œ ! Ê B œ !B
0 œ ! Ê #C œ ! Ê C œ !C
Así, es el punto crítico de a b a b!ß !ß & 0 Bß C
0 œ # 0 œ # 0 œ !BB CC BC
L Bß C œ Ê L !ß ! œ # ! # !! # ! #
a b a bŒ Œ ¸ ¸a b a bL !ß ! œ % ! • 0 !ß ! œ # !BB
Por lo tanto, es un máximo relativo de a b a b!ß !ß & 0 Bß C
#Ñ 0 Bß C œ #B C $B $C "#B %a b $ $ #
0 œ 'B 'B "# 0 œ $C $B C# #
0 œ ! Ê 'B 'B "# œ ! Ê B œ " • B œ #B "#
#
0 œ ! Ê $C $ œ ! Ê C œ " • C œ "C " ##
Así, son puntos críticos de a b a b a b a b"ß "ß "$ à "ß "ß * à #ß "ß "% à #ß "ß ") 0 Bß Ca b 0 œ "#B ' 0 œ 'C 0 œ !BB CC BC
L Bß C œ"#B ' !
! 'Ca b Œ
L "ß " œ Ê L "ß " œ "!) ! • 0 "ß " œ ") !") !! '
a b a b a bŒ ¸ ¸ BB
Por lo tanto, es un mínimo relativo de a b a b"ß "ß "$ 0 Bß C
L "ß " œ Ê L "ß " œ "!) !") !! '
a b a bŒ ¸ ¸ Por lo tanto, es un punto de silla de a b a b"ß "ß * 0 Bß C
L #ß " œ Ê L "ß " œ "!) ! ") !! '
a b a bŒ ¸ ¸ Por lo tanto, es un punto de silla de a b a b #ß "ß "% 0 Bß C
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L #ß " œ ") !! '
a b Œ ¸ ¸a b a bL "ß " œ "!) ! • 0 "ß " œ ") !BB
Por lo tanto, es un máximo relativo de a b a b #ß "ß ") 0 Bß C
en el intervalo $Ñ 0 Bß C œ -9= B =/8 C Ò !ß # Óa b 1
0 œ =/8B 0 œ -9=CB C
0 œ ! Ê =/8B œ ! Ê B œ ! à B œ • B œ #B " $# 1 1
0 œ ! Ê -9=C œ ! Ê C œ • C œ# #
$C " #
1 1
Así, son puntosŠ ‹ Š ‹ Š ‹Œ Œ Œ !ß ß # à !ß ß ! à ß ß ! à ß ß # à # ß ß # à # ß ß !# # # # # #
$ $ $1 1 1 1 1 11 1 1 1
críticos de 0 Bß Ca b 0 œ -9=B 0 œ =/8C 0 œ !BB CC BC
L Bß C œ -9=B !
! =/8Ca b Œ
L !ß œ Ê L "ß " œ # ! • 0 !ß œ " !# #
" !! "
Š ‹ Š ‹Œ ¸ ¸a b1 1BB
Por lo tanto, es un máximo relativo de Š ‹ a b!ß ß # 0 Bß C#
1
L !ß œ Ê L !ß œ " !$ $
# #
" !! "Œ Œ Œ ¸ ¸1 1
Por lo tanto, es un punto de silla de Œ a b!ß ß ! 0 Bß C$
#
1
L ß œ Ê L ß œ " !# #
" !! "
Š ‹ Š ‹Œ ¸ ¸1 11 1
Por lo tanto, es un punto de silla de Š ‹ a b11
ß ß ! 0 Bß C#
L ß œ Ê L ß œ " ! • 0 ß œ " !$ $ $
# # #
" !! "Œ Œ Œ Œ ¸ ¸1 1 1
1 1 1BB
Por lo tanto, es un mínimo relativo de Œ a b11
ß ß # 0 Bß C$
#
L # ß œ#
" !! "
Š ‹ Œ 11
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¸ ¸Š ‹ Š ‹L # ß œ " ! • 0 # ß œ " !# #
1 11 1
BB
Por lo tanto, es un máximo relativo de Š ‹ a b# ß ß # 0 Bß C#
11
L # ß œ Ê L # ß œ " !$ $
# #
" !! "Œ Œ Œ ¸ ¸1 1
1 1
Por lo tanto, es un punto de silla de Œ a b# ß ß ! 0 Bß C$
#1
1
Ejercicios
1) Determine los extremos relativos y los puntos de silla de las siguientes funciones À
+Ñ 0ÐBß CÑ œ #B %C B C $# #
,Ñ 0ÐBß CÑ œ ÐB CÑÐB CÑ
-Ñ 0ÐBß CÑ œ %BC B C% %
.Ñ 0 Bß C œ B BC C #B #C %a b # #
2) Un fabricante produce diariamente unidades de la mercancía A, unidades de la mercancíaB CB. Si es la utilidad diaria que se obtiene en su venta y T Bß C T Bß C œ $$B ''C BC B $C Þa b a b # #
¿Cuántas unidades de cada artículo deben producirse diariamente para que el fabricante logre la máximautilidad diaria?
Solución
"Ñ es un máximo relativo de +Ñ "ß #ß # 0 Bß Ca b a b es un punto de silla de ,Ñ !ß !ß ! 0 Bß Ca b a b es un punto de silla de y son máximos relativos de-Ñ !ß !ß ! 0 Bß C "ß "ß # à "ß "ß #a b a b a b a b0 Bß Ca b es un mínimo relativo de .Ñ #ß #ß ) 0 Bß Ca b a b Deben fabricarse unidades de la mercancía A y 15 unidades de la mercancía B para#Ñ #%maximizar la utilidad diaria.
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Multiplicadores de Lagrange
Cuando es necesiario resolver problemas con enunciado de máximos y/o mínimos, pero conalguna condición adicional es preferible usar un método mucho más rápido que el criterio de la segundaderivada el cual nos permite trabajar con funciones de variables, este nuevo método se denomina8Multiplicadores de Lagrange Sea una función de variables a la cual interesa calcular sus puntos críticos0 B ß B ß B ß ÞÞÞß B 8a b" # $ 8
con la condición adicional . Para determinar los puntos críticos se forma una1 B ß B ß B ß ÞÞÞß B œ !a b" # $ 8
nueva función auxiliar
J B ß B ß B ß ÞÞÞß B ß œ 0 B ß B ß B ß ÞÞÞß B 1 B ß B ß B ß ÞÞÞß Ba b a b a b" # $ 8 " # $ 8 " # $ 8- -
Los puntos críticos de esta nueva función cumplen con las condiciones del problema a resolver, esdecir, si el problema consiste en minimizar, entonces el punto es el mínimo buscado y sia bB ß B ß B ß ÞÞÞß B" # $ 8
el problema consiste en maximizar, entonces el punto es el máximo buscado.a bB ß B ß B ß ÞÞÞß B" # $ 8
:Ejemplos
1) Hallar las dimensiones de una caja rectangular sin tapa y con volumen específico, si se quiere usar lamínima cantidad de material en su manufactura.
0 +ß 6ß 2 œ +6 #+2 #62a b Z œ +62 Ê 1 +ß 6ß 2 œ +62 Za b J +ß 6ß 2ß œ +6 #+2 #62 +62 Za b a b- -
J œ 6 #2 62 Ê J œ ! Ê œ "6 #2
62+ +- - a b
J œ + #2 +2 Ê J œ ! Ê œ #+ #2
+26 6- - a b
J œ #+ #6 +6 Ê J œ ! Ê œ $#+ #6
+62 2- - a b
J œ +62 Z Ê J œ ! Ê +62 œ Z %- - a b ya b a b" $
œ Ê +6 #+62 œ #+62 #6 26 #2 #+ #6
62 +6# #
Ê +6 œ #6 2# #
Ê + œ #2 &a b
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ya b a b# $
œ Ê + 6 #+62 œ #+ 2 #+62+ #2 #+ #6
+2 +6# #
Ê + 6 œ #+ 2# #
Ê 6 œ #2 'a b y a b a b& '
+ œ 6 (a b y a b a b a b a b% ß & ß ' (
+62 œ Z Ê + + œ Z+
#a ba bŠ ‹
Ê œ Z+
#
$
Ê + œ #Z$
, Ê + œ #Z 6 œ #Z ß 2 œ#Z
#È È È$ $
$
Luego, las dimensiones de la caja son base udl y altura [udl].È È$
$
#Z Ò Ó#Z
#
2) Un fabricante produce tres tipos de llantas de automóvil, que se designarán por A , B y C . Sean B ß C ß Del número de llantas diarias fabricadas de cada uno de los tipos A , B y C respectivamente. La utilidad encada llanta tipo A es de $200, en las de tipo B es de $300 y en las de tipo C es de $500. El número dellantas que se puede producir diariamente está sujeto a la restricción . Determinar#B C $D œ #()%# # #
cuántas llantas de cada tipo se deben producir para maximizar la utilidad.
0 Bß Cß D œ #!!B $!!C &!!Da b 1 Bß Cß D œ #B C $D #()%a b # # #
J Bß Cß Dß œ #!!B $!!C &!!D #B C $D #()%a b a b- - # # #
J œ #!! %B Ê J œ ! Ê œ "&!
BB B- - a b
J œ $!! #C Ê J œ ! Ê œ #"&!
CC C- - a b
J œ &!! 'D Ê J œ ! Ê œ $#&!
$DD D- - a b
J œ #B C $D #()% Ê J œ ! Ê œ #B C $D œ #()% %- -# # # # # # - a b
ya b a b" #
œ Ê &!C œ "&!B Ê C œ $B &&! "&!
B Ca b
y a b a b" $
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œ Ê "&!D œ #&!B Ê D œ B '&! #&! &
B $D $a b
y a b a b a b% à & '
#B C $D œ #()% Ê #B *B $ B œ #()%#&
*# # # # # #Œ
Ê &)B œ )$&##
Ê B œ "%%#
, Ê B œ "# C œ $' ß D œ #!
Por lo tanto, la cantidad diaria de unidades a producir para maximizar la utilidad es de 12unidades de llantas tipo A, 36 unidades de llantas tipo B y 20 unidades de llantas tipo C.
3) Un disco circular tiene forma de la región limitada por la circunferencia . Si grados es laB C œ " X# #
temperatura en cualquier punto del disco y , encuentre los puntos más calientes y losX œ #B C C# #
puntos más fríos en el disco
0 Bß C œ #B C Ca b # #
1 Bß C œ B C "a b # #
J Bß Cß œ #B C C B C "a b a b- -# # # #
J œ %B #B Ê J œ ! Ê œ # ß B Á ! "B B- - a b J œ #C " #C Ê J œ ! Ê œ ß C Á ! #
" #C
#CC C- - a b
J œ B C " Ê J œ ! Ê B C œ " $- -# # # # a b
y a b a b" #
# œ Ê %C œ " #C Ê C œ %" #C "
#C #a b
ya b a b$ %
B C œ " Ê B œ " Ê B œ ß B œ " $ $
% # ## # #
" #
È È Si entonces en , B œ !ß B C œ " C œ " Ê C œ " ß C œ "# # #
" #
Si entonces en , C œ !ß B C œ " B œ " Ê B œ " ß B œ "# # #" #
Luego, los puntos críticos de la función de temperatura son:
È È$ " $ " *
# # # # %ß Ê X ß œ
È È ß Ê X ß œ
$ " $ " *
# # # # %
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a b a b!ß " Ê X !ß " œ ! a b a b!ß " Ê X !ß " œ #
a b a b"ß ! Ê X !ß " œ #
a b a b "ß ! Ê X !ß " œ #
Por lo tanto, los puntos más calientes del disco son , y el punto más È È$ " $ "
# # # #ß ß
frío del disco es a b!ß " Þ
Ejercicios
Resuelva los siguientes problemas con enunciado utilizando Multiplicadores de Lagrange À
1 Hallar los valores extremos de sujetos a la restricción Ñ 0 Bß C œ BC 1 Bß C œ B C "!a b a b # #
2 El área de la superficie de una caja rectangular sin tapa ha de ser 108 pies . Hallar su máximo2Ñvolumen posible.
3 Un recipiente se construye con un cilindro circular recto de radio 5 cm. y con dos tapas cónicasÑen los extremos. Si se da el volumen, hallar la altura H del cilindro y la altura h de cada una de las tapascónicas, de manera que el área de la superficie total sea la menor posible.
4 Una empresa tiene tres fábricas, en cada una de las cuales se elabora el mismo producto. Si laÑFábrica A produce unidades, la fábrica B produce unidades y la fábrica C produce unidades, susB C D
respectivos costos de producción son dólares, dólares, dólares. Si se va a$B #!! C %!! #D #!!# # #
surtir un pedido de unidades. Determinar cómo debe distribuirse la producción entre las tres fábricas"Þ"!!a fin de minimizar el costo de producción total.
5 Si se gastan miles de dólares en trabajo e miles de dólares en equipamiento, la producciónÑ B Cde una cierta fábrica será unidades. Si hay dólares disponibles, ¿cómoTÐBß CÑ œ '! B C "#!Þ!!!"Î$ #Î$
debe ser distribuido el dinero entre trabajo y equipamiento para generar la mayor producción posible?.
6 Hállese los puntos sobre la esfera donde tieneÑ B C D œ #& 0 Bß Cß D œ B #C $D# # # a bsus valores máximos y mínimos
7 Se construye un tanque horizontal de forma cilíndrica y con extremos semiesféricos. DetermineÑel diámetro y la longitud de su porción cilíndrica si el tanque ha de tener 8000 m de agua y se pretende3
utilizar la menor cantidad posible de material para construirlo.
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101
Solución
Los puntos máximos son y los puntos mínimos son"Ñ &ß & à &ß &Š ‹ Š ‹È È È ÈŠ ‹ Š ‹È È È È &ß & à &ß &
Las dimensiones de la caja son base 6 pies y alto 3 pies , luego el máximo volumen de la caja#Ñrectangular es 108 pies .3
La altura de cada uno de los conos es unidades y la altura del cilindro es$Ñ 2 # & LÈZ %
#& $ &
1È unidades .
Deben fabricarse 200 unidades en la fábrica A , 600 unidades en la fábrica B y 300 unidades en%Ñla fábrica C a fin de minimizar el costo total de producción total.
Deben destinarse 40.000 dólares en trabajo y 80.000 dólares en producción para generar la&Ñmayor producción posible.
El punto máximo es y el punto mínimo es'Ñ ß ß& "% "! "% "& "%
"% "% "% È È È
È È È ß ß
& "% "! "% "& "%
"% "% "%.
El problema no tiene solución.(Ñ
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102
Gráficos en ‘3
Si es un función de dos variables, entonces su gráfico corresponde a un conjunto deD œ 0 Bß Ca bternas donde sus coordenadas satisfacen a la función dada.
La gráfica de una ecuación en se denomina .‘3 superficie
1) Plano
Su ecuación general es donde [ ] es el vector normal al plano.+B ,C -D . œ ! +ß ,ß -
Es posible encontrar varios tipos de planos
a) El plano intersecta a los tres ejes coordenados a b+B ,C -D . œ !
En este caso se ubican los puntos de intersección del plano con los ejes coordenados.
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103
Ejemplo: Graficar #B $C %D "# œ !
eje X C œ D œ ! Ê B œ '
eje Y B œ D œ ! Ê C œ %
eje Z B œ C œ ! Ê D œ $
b) El plano pasa por el origen a b+B ,C -D œ !
En este caso se grafican las rectas que se obtienen cuando y luego se trazanB œ ! à C œ !paralelas a las dos rectas encontradas.
: GraficarEjemplo &B $C "&D œ !
B œ ! Ê $C "&D œ ! Ê C œ &D
C œ ! Ê &B "&D œ ! Ê B œ $D
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104
c) El plano es paralelo a uno de los ejes coordenados
Si es paralelo al eje X entonces su ecuación es ß ,C -D . œ !
: GraficarEjemplo &C #D "! œ !
Si es paralelo al eje Y entonces su ecuación es ß +B -D . œ !
: GraficarEjemplo $B #D "# œ !
Si es paralelo al eje Z entonces su ecuación es ß +B ,C . œ !
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105
: GraficarEjemplo *B #C ") œ !
d) El plano es paralelo a dos de los ejes coordenados
Si es paralelo al plano YZ entonces su ecuación es ß +B . œ !
: GraficarEjemplo B œ #
Si es paralelo al plano XZ entonces su ecuación es ß ,C . œ !
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: GraficarEjemplo C œ #
Si es paralelo al plano XY entonces su ecuación es ß -D . œ !
: GraficarEjemplo D œ #
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2) Esfera
a) Si el centro es y su radio , entonces su ecuación es G !ß !ß ! < B C D œ <a b # # # #
b) Si el centro es y su radio , entonces su ecuación esG 2 ß 5ß 6 <a ba b a b a bB 2 C 5 D 6 œ <# # # #
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3) Cilindro
a) Si su eje de simetría es paralelo al eje Z , entonces su ecuación es B C
+ , œ "
# #
# #
Si , entonces la base del cilindro es una circunferencia y si , entonces la base del+ œ , + Á ,cilindro es una elipse.
b) Si su eje de simetría es paralelo al eje Y , entonces su ecuación es B D
+ - œ "
# #
# #
Si , entonces la base del cilindro es una circunferencia y si , entonces la base del+ œ - + Á -cilindro es una elipse.
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c) Si su eje de simetría es paralelo al eje X , entonces su ecuación es C D
, - œ "
# #
# #
Si , entonces la base del cilindro es una circunferencia y si , entonces la base del, œ - , Á -cilindro es una elipse.
4) Cono
a) Si su eje de simetría es paralelo al eje Z , entonces su ecuación es B C D
+ , - œ
# # #
# # #
Si , entonces la base del cono es una circunferencia y si , entonces la base del cono+ œ , + Á ,es una elipse.
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b) Si su eje de simetría es paralelo al eje Y , entonces su ecuación es B D C
+ - , œ
# # #
# # #
Si , entonces la base del cono es una circunferencia y si , entonces la base del cono+ œ - + Á -es una elipse.
c) Si su eje de simetría es paralelo al eje X , entonces su ecuación es: C D B
, - + œ
# # #
# # #
Si , entonces la base del cono es una circunferencia y si , entonces la base del cono, œ - , Á -es una elipse.
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5) Paraboloide Elíptico
a) Si su eje de simetría es paralelo al eje Z , entonces su ecuación es B C
+ , œ #
# #
# #
Si , entonces la base del paraboloide es una circunferencia y si , entonces la base+ œ , + Á ,del paraboloide es una elipse.
b) Si su eje de simetría es paralelo al eje Y , entonces su ecuación es B D
+ - œ #,C
# #
# #
Si , entonces la base del paraboloide es una circunferencia y si , entonces la base+ œ - + Á -del paraboloide es una elipse.
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c) Si su eje de simetría es paralelo al eje X , entonces su ecuación es C D
, - œ #+B
# #
# #
Si , entonces la base del paraboloide es una circunferencia y si , entonces la base del, œ - , Á -paraboloide es una elipse.
Integrales Dobles
Concepto de integral doble
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113
Sea una función de dos variables continua tal que , D œ 0 Bß C 0 Bß C ! a Bß C − V Va b a b a buna región del plano . es el dominio de .BC V 0 Bß Ca b Se determinará cómo calcular el volumen de la región sólida situada entre la superficieD œ 0 Bß Ca b. Para ello se realiza el siguiente proceso: Se subdivide la región en rectángulos no necesariamente iguales, se enumeran los V 8 8rectángulos desde a . Cada rectángulo tiene área con < < E 3 œ "ß #ß $ß ÞÞÞß 88" 3
E œ ˜ B † ˜ C3 3 3
El área aproximada de la región será V E µ ˜ B † ˜ C
3 œ "
8" 3 3
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114
Se elige un punto cualquiera en cada rectángulo y se determina su imagen a b! "3 3ß 0a b! "3 3ß . Con esto se forma un paralelepípedo
Su volumen es Z œ ˜ B † ˜ C † 0 ß3 3 3 3 3a b! "
Luego, el volumen aproximado total será Z µ 0 ß † ˜ B † ˜ C
3 œ "
8" a b! "3 3 3 3
Pero a medida que los rectángulos son cada vez más pequeños se está aproximando al valor realde Z Así,
Z œ 0 ß † ˜ B † ˜ C œ 0 Bß C .E8 Ä _
3 œ "
8lim " a b a b( (! "3 3 3 3
V
donde o.E œ .C .B .E œ .B .C
Integrales Iteradas
"Ñ
Si e son continuas en el intervalo , entoncesC œ 0 B C œ 1 B Ò +ß , Óa b a b ( ( ( (a b a ba b
a bV
0 Bß C .E œ 0 Bß C .C .BB œ + C œ 0 B
B œ , C œ 1 B
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115
#Ñ
Si y son continuas en el intervalo , entoncesB œ 0 C B œ 1 C Ò -ß . Óa b a b ( ( ( (a b a ba b
a bV
0 Bß C .E œ 0 Bß C .B .CC œ - B œ 0 C
C œ . B œ 1 C
Propiedades de las integrales dobles
1) es constante.( ( ( (a b a bV V
5 0 Bß C .E œ 5 0 Bß C .E 5
2) Si y son integrables en , entonces 0 Bß C 1 Bß C Va b a b ( ( ( ( ( (a b a b a b a b
V V VÒ0 Bß C „ 1 Bß C Ó .E œ 0 Bß C .E „ 1 Bß C .E
Si y es continua en , entonces$Ñ V œ V V 0 Bß C V" # a b ( ( ( ( ( (a b a b a b
V V V0 Bß C .E œ 0 Bß C .E 0 Bß C .E
" #
Si los límites de integración son todos constantes, entonces%Ñ À
( ( ( (a b a b+ - - +
, . . ,0 Bß C .C .B œ 0 Bß C .B .C
varía en el intervalo e varía en el intervalo B Ò +ß , Ó C Ò -ß . Ó
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Ejemplos À
"Ñ B #B C C BC .C .B œ B C B C C BC .B" "
% #( ( (ˆ ‰ º! " !
# # ## # $ # # # % #
"
#
œ #B %B % #B B B B .B" "
% #( Œ !
## # # #
œ 'B B .B"& $
% #( Œ !
##
œ B B B' "& $
$ % %$ #
!
#º œ
#$
#
#Ñ =/8 B -9= C .C .B œ =/8 B .C .B" -9=#C
#( ( ( ( Œ ! ! ! !
Î# Î## # #
1 1 1 1
œ =/8 B C .B" =/8 #C
# #( º!
#
!
Î#1 1
œ =/8 B .B"
# #(
0
1 1 #
œ .B% #
" -9= #B1( Œ !
1
œ B ) #
=/8 #B1 Œ º!
1
œ)
1#
$Ñ .C .B B C œ B " B C
B C B( ( Œ Š ‹" !
$ B
# ## # #
#È
C
Bœ >1 Ê C œ B >1 Ê .C œ B =/- .! ! ! !#
C œ ! Ê >1 œ ! Ê œ !! !
C œ B Ê >1 œ " Ê œ%
! !1
( ( ( ( a b" ! " !
$ B $ Î%
# # # #
# #È ÈB B =/- .
B C B " >1.C .B œ .B
1 ! !
!
œ .B( º"
$
!
Î%È!
1
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œ .B%
1("
$È
œ B%
1 º"
$È
œ $ "%
1Š ‹È
Ejercicios
Resuelva À
+Ñ / .C .B# B# "
CC( (È
È È" #
,Ñ .C .B% B
B
C
B( ( Ê"
#
-Ñ =/8 . .-9=( (
! !
1 )3 ) 3 )
.Ñ B .C .B# B B
#B #( ("
#
#
/Ñ -9= . .Î% >1 =/-( (
! !
$ #1 ) )
3 ) 3 )
0Ñ B / .C .BB
BC( (! !
$#
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118
Solución
+Ñ / .C .B œ / % # # #/# B# "
CC( (È
È È Š ‹È" #
#È
,Ñ .C .B œ % B
B
C %!$
B #"( ( Ê"
#
-Ñ =/8 . . œ-9= "
$( (! !
1 )3 ) 3 )
.Ñ B .C .B œ# B B
#B #
*
%( ("
#
#
/Ñ -9= . . œÎ% >1 =/- "
#!( (! !
$ #1 ) )
3 ) 3 )
0Ñ B / .C .B œ &B
BC /
#( (! !
$#
*
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119
Aplicaciones de la integral doble
1) Cálculo de áreas en el plano ‘2
En si , entonces representa el área de regiones del( ( ( (a b a bV V
0 Bß C .E 0 Bß C œ " .E
plano.
Así,
E œ .C .B œ .B .CB œ + C œ 0 B C œ - B œ 0 C
+ œ , C œ 1 B C œ . B œ 1 C( ( ( (a b a ba b a b
:Ejemplos
1) Hallar el área de la región situada bajo la parábola sobre el eje X y sobre laV C œ %B B ß#
recta C œ $B '
Intersección de las curvas
%B %B œ $B '#
! œ B (B '#
! œ B " B 'a ba b B œ "ß C œ $" "
no es solución, por condiciones del problemaB œ 'ß C œ "## # a b C œ %B B#
C œ ! Ê %B B œ ! Ê B œ !ß B œ %#" #
C œ $B ' C œ ! Ê $B ' œ ! Ê B œ #
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120
E œ .C .B .C .B( ( ( (" $B' # !
# %BB % %BB# #
E œ C .B C .B( (º º" #
# %%BB %BB
$B' !
# #
E œ B (B ' .B %B B .B( (ˆ ‰ ˆ ‰" #
# %# #
E œ 'B B (B %B B
$ # # $
$ # # $# %
" #º º
E œ "$ "'
' $
[u. de a.]E œ"&
#
Por otro lado,
C œ %B B C œ $B '#
B %B C œ ! $B œ ' C#
B œ B œ # % „ "' %C
# $
CÈ
B œ% „ % % C
#
È a b B œ # „ % CÈ
E œ .B .C .B .C( ( ( (! # $ # %C
$ # %C % # %C
C$
È ÈÈ
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121
Pero, como ya se sabe, al obtener el àrea de una región del plano respecto al eje X como elrespecto al eje Y el valor debe ser el mismo. Por lo tanto,
[u. de a.]( ( ( (! # $ # %C
$ # %C % # %C
C$
È ÈÈ.B .C .B .C œ
"&
#
2) Determinar el área limitada por e C œ B C œ B$ #
Intersección de las curvas
B œ B Ê B B œ ! Ê B B " œ ! Ê B œ !ß C œ ! à B œ "ß C œ "$ # $ # #" " # #a b
E œ .C .B( (! B
" B
$
#
E œ C .B( º!
" B
B
#
$
E œ B B .B( ˆ ‰!
"# $
E œ B B
$ %
$ % "
!º
[u. de a]E œ"
"#
Por otro lado, C œ B Ê C œ B C œ B Ê C œ B$ #È È$
[u. de a]E œ .B .C œ"
"#( (! C
" C
ÈÈ$
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122
Ejercicios
Determine el área encerrada por las curvas respecto al eje y respecto al eje . Plantee ambas\ ]integrales, pero resuelva sólo una de ellas.
+Ñ B œ C à B œ #C C# #
,Ñ C œ =/8B à C œ -9= B à B œ !
-Ñ B œ C C à B C œ !#
.Ñ B œ %C à )C œ B "'# #
; /Ñ B C œ "' à C œ 'B C œ !# # È
Solución
+ÑE œ .C .B( (! " "B
" B
ÈÈ
E œ .B .C( (! C
" #CC
#
#
[ u.de a.]E œ"
$
,ÑE œ .C .B( (! =/8 B
Î% -9= B1
E œ .B .C .B .C( ( ( (! ! #Î# !
#Î# E<- =/8 C " E<- -9= CÈÈ
[ u.de a.]E œ # "È
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123
-ÑE œ .C .B .C .B( ( ( (# B !
! "Î%" "%B " "%B# #
" "%B#
È È
È
E œ .B .C( (! C
# CC#
[ u.de a.]E œ%
$
.ÑE œ # .C .B( (!
%
B#
%
B "'#
)
E œ # .B .C # .B .C( ( ( (! ! # # C
# # C % # # C#ÈÈÈ È
[ u.de a.]E œ$#
$
/ÑE œ .C .B .C .B( ( ( (! ! # !
# 'B % "'BÈ È #
E œ .B .C( (!
# $ "'CÈ ÈC#
'
#
[ u.de a.]E œ) # $
$
1 È
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124
2) Conocida una región del plano , determinar el valor de una cierta integral dobleV BC
Ejemplos
1) Obtener el valor de donde es la región del plano limitada por ( (V
B.E V
en el primer cuadrante; eC œ #& B ß $B %C œ ! C œ !È #
Intersección de las curvas
È È#& B œ B #& B œ ! $B %C œ !ß C œ !$
%# #
#& B œ B #& B œ ! $B œ !*
"'# # #
%!! "'B œ *B #& œ B B œ ! ß C œ !# # #
%!! œ #&B & œ B ß C œ !#
"' œ B#
% œ B ß C œ $
Si .E œ .C .B
( ( ( ( ( (V
B.E œ B.C .B B.C .B! ! % !
% B & #&B$%
#È
œ BC .B BC .B( (º º! %
% &B #&B
! !
$%
#È
œ B .B B #& B .B$
%( ( È! %
% &# #
? œ #& B Ê .? œ #B .B Ê œ B.B.?
##
B œ % Ê ? œ *ß B œ & Ê ? œ !
( ( (ºV
B.E œ † ? .?$ B "
% $ #
$ %
! *
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œ "' † ?" #
# $
$# º!
*
œ "' * œ #&
Si .E œ .B .C
( ( ( (V
B.E œ B.B .C! C
$ #&C
%$
#È
œ .CB
#( º!
$ # #&C
C
È #
%$
œ #& C C .C" "'
# *( Œ !
$# #
œ #& C .C" #&
# *( Œ !
$#
œ #&C †" #& C
# * $Œ º$ $
!
œ (& #&"
#a b
œ #&
Por lo tanto, si se usa el operador o para un mismo ejercicio el resultado.E œ .C .B .E œ .B .Cde la integral es el mismo
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2) Determine el valor de donde es la región del plano limitada por ( (V
BC .E V B œ " à B œ # à C œ "#
à C œ $B " ÞPlantee ambas integrales, pero calcule sólo una de ellas.
Para .E œ .C .B
( ( ( (V
BC .E œ BC .C .B# #
" "
# $B"
Para .E œ .B .C
( ( ( ( ( (V
BC .E œ BC .B .C BC .B .C# # #
" " #
# # & #
C"$
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Resolviendo
( ( ( (V
BC .E œ BC .C .B# #
" "
# $B"
œ B .BC
$( º"
# $ $B"
"
œ *B *B $B .B#
$( Œ "
#% $
œ B*B *B $B #
& % # $
& % # #
"º
œ&'"
#!
Ejercicios
Determine el valor de Considere y resuelva la( (V
0ÐBß CÑ .EÞ .E œ .C .B ß .E œ .B .C
integral que usted estime más conveniente.
+Ñ .E V À C œ ! à C œ B à B œ %V
C
" B#( ( È
,Ñ BC / .E V À B C œ +V
ÐB C Ñ( ( # # ## #
-Ñ .E V À " Ÿ B Ÿ # à " Ÿ C Ÿ BV
B
B C( ( È # #
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Solución
+Ñ
( ( ( (V
C C
" B#.E œ .C .B
" B! !
% B
#
È
( ( ( (V
C C
" B#.E œ .B .C
" B! C
# %
##
( (V
C 68Ð"(Ñ
" B#.E œ
%
,Ñ BC / .E œ % BC / .C .BV
ÐB C Ñ ÐB C Ñ( ( ( ( # # # #
!
+ + B
!
È # #
( ( ( (V
BC / .E œ % BC / .B .CÐB C Ñ ÐB C Ñ # # # #
! !
+ + CÈ # #
( ( ˆ ‰V
BC / .E œ " / + "ÐB C Ñ + ## # #
-Ñ .E œ .C .BV
B B
B C B C( ( ( (È È# # # #
" "
# B
( ( ( (È ÈV
B B
B C B C.E œ .B .C
# # # #"
# #
C
( ( ÈÈ ÈÈ È È
V
B # & & "! " #
B C.E œ #68
# ## #
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3) Cálculo de volúmenes
Por definición representa el volumen del sólido comprendido en ( ( a b a bV
0 Bß C .E D œ 0 Bß C
con el área de la base y la altura..E 0 Bß Ca b Z œ .Z œ 0 Bß C .E
V V( ( ( ( a b
Z œ 0 Bß C .C .BB œ + C œ 0 B
B œ , C œ 1 B( ( a ba b a b
Z œ 0 Bß C .B .CC œ - B œ 0 C
C œ . B œ 1 C( ( a ba b a b
Ejemplos
1) Determinar el volumen, en el primer octante, del sólido limitado por el plano D œ # B #C
B #C D œ #
Intersección con los ejes
eje X eje Y eje Z B œ # C œ " D œ #
es la región en el plano V BC D œ ! Ê B #C œ #
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Z œ # B #C .C .B( ( a b! !
# "B#
Z œ #C BC C .B( º!
##
"
!
B#
Z œ B # B B " .BB B
# %( Œ !
# # #
Z œ B " .BB
%( Œ !
# #
Z œ B B B
# "#
# $ #
!º
Z œ # # )
"#
[u. de v.]Z œ#
$
Si se considera se tiene.E œ .B .C
B #C œ # Ê B œ # #C
[u. de v.]Z œ # B #C .B .C œ#
$( ( a b! !
" ##C
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2) Calcular el volumen, en el primer octante, del sólido limitado por el cilindro y losB C œ *# #
planos y B C œ $ D œ %
La región del plano esV
Z œ % .C .B( (! $B
$ *BÈ #
Z œ %C .B( º!
$ *B
$B
È #
Z œ % * B "# %B .B( Š ‹È!
$#
Z œ % * B .B % B $ .B( (È a b! !
$ $#
Z œ % * B .B % $BB
#( È Œ º!
$#
# $
!
Z œ % * B .B ")( È!
$#
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* B œ * " Ê * B œ * " B B
* $# #
# #Œ ” •Š ‹
B
$œ =/8 Ê B œ $=/8 Ê .B œ $-9= .) ) ) )
B œ ! Ê œ ! B œ $ Ê œ#
) )1
Z œ % * " .B ")B
$( Ë ” •Š ‹!
$ #
Z œ "# " =/8 † $-9= . ")( È!
#
1#
) ) )
Z œ $' -9= . ")(!
#
1#
) )
Z œ $' . ")" -9=#
#(!
1# )
)
Z œ ") ")=/8#
#Œ º)
)1#
!
[u. de v.]Z œ * ")1
Ejercicios
Usando integrales dobles, calcule el volumen del sólido limitado por las siguientes superficies.
El cilindro y los planos +Ñ B C œ % D œ ! à D œ )# #
el cono y el paraboloide ,Ñ B C œ D D œ B C# # # # #
El cilindro los planos en el primer octante.-Ñ B C œ #& à B C œ & à D œ ) à# #
Solución
+Ñ Z œ % ) .C .B ,Ñ Z œ % B C B C .C .B( ( ( ( Š ‹È! ! ! !
# %B " "B# # # #
È È# #
[u. de v.] [u. de v.]Z œ $# Z œ'
11
-Ñ Z œ ) .C .B( (! &B
& #&BÈ #
[u. de v.]Z œ &! "!!1
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133
Integrales Triples
Sea una función de tres variables, continua en una cierta región de , entoncesA œ 0 Bß Cß D Wa b ‘$
0 Bß Cß D Wa b es integrable en .
Si varía desde hasta varía desde hasta varía desdeB B œ + B œ , ß C C œ 0 B C œ 1 B ß Da b a bD œ 0 Bß C D œ 1 Bß Ca b a bhasta , entonces
es la integral triple de la región de( ( ( ( ( (a b a bW
0 Bß Cß D .Z œ 0 Bß Cß D .Z W+ 0 B 0 BßC
, 1 B 1 BßC
a b a ba b a b
‘$.
Si varía desde hasta varía desde hasta varía desde hastaB B œ + B œ , ß C C œ - C œ . ß D D œ /D œ 0 , entonces son equivalentes:
( ( ( ( ( (a b a bW
0 Bß Cß D .Z œ 0 Bß Cß D .D .C .B+ - /
, . 0
œ 0 Bß Cß D .D .B .C( ( ( a b- + /
. , 0
œ 0 Bß Cß D .C .B .D( ( ( a b/ + -
0 , .
y otras más
Ejemplos
Evaluar
"Ñ BC .D .C .B œ BCD .C .B( ( ( ( ( º" ! " " !
# B BBC # B BBC
"
œ B C B C BC .C .B( ( ˆ ‰" !
# B# # #
œ .BB C B C BC
# $ #( Œ º"
# # # # $ # B
!
œ .BB B B
# $ #( Œ "
# % & $
œ B B B
"! ") )
& ' % #
"º
œ")*
%!
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134
#Ñ C 68 D >1 B .B .D .C œ C 68 D 68 =/- B .D .C( ( ( ( ( ¸ ¸º" / ! " /
! #/ Î$ ! #/ Î$
!
1 1
œ C 68D 68 =/- Î$ 68 =/- ! .D .C( ( ˆ ‰¸ ¸ ¸ ¸a b" /
! #/
1
œ 68 # C 68D .D .Ca b( (" /
! #/
? œ 68 D Ê .? œ .D .@ œ .D Ê @ œ D"
D
( ( ( ( (a b º" / ! " /
! #/ Î$ ! #/#/
/
1
C 68 D >1 B .B .D .C œ 68 # C D 68D D † .D .C"
D
œ 68 # C D 68 D D .Ca b( º"
! #/
/
œ 68 # C #/ 68 #/ #/ / 68 / / .Ca b a b( a b a b"
!
œ 68 # C #/ 68 # #/ 68 / #/ / 68 / / .Ca b a b( a b a b a b"
!
œ #/Ò68 # Ó C .Ca b (#"
!
œ #/Ò68 # ÓC
#a b º#
# !
"
œ /Ò68 / Óa b #
$Ñ C / .D .B .C œ C / .B .C( ( ( ( ( º" C ! " C
# C 68 B # CD D
68 B
!
# #
œ C / / .B .C( ( ˆ ‰" C
# C68B !
#
œ BC C .B .C( ( a b" C
# C#
œ BC .CB C
#( Œ º"
# # C
C
#
œ C C .CC C
# #( Œ "
# & $$ #
œ C .CC $C
# #( Œ "
# & $#
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œ C $C C
"# ) $
' % $ #
"º
œ%(
#%
%Ñ .B .D .CD
B D( ( (! ! !
# C $ D
# #
È
B D œ D " Ê B D œ D "B B
D D# # # # # #
#
#
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B
Dœ >1 Ê B œ D >1 Ê .B œ D =/- .) ) ) )#
B œ ! Ê œ ! B œ $ D Ê œ$
) )1È
( ( ( ( ( ( ” •Š ‹! ! ! ! ! !
# C $ D # C $ D
# ##
#
È ÈD D
B D.B .D .C œ .B .D .C
D "B
D
œ D =/- . .D .CD
D >1 "( ( ( a b! ! !
# C Î$
# ##
1
)) )
œ . .D .C( ( (! ! !
# C Î$1
)
œ .D .C( ( º! !
# C Î$
!
)1
œ .D .C$
1( (! !
# C
œ D .C$
1( º!
# C
!
œ C .C$
1(!
#
œ †$ #
C1 # #
!º
œ#
$1
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Ejercicios
Resuelva las siguientes integrales triples À
+Ñ BCD .D .C .BB C
( ( (È! !
" " #
# #
,Ñ -9= .C .B .DÎ Î BD C
D( ( ( Š ‹! ! !
# #1 1
-Ñ .D .C .BB C
C D( ( (" $ !
# $ C
# #
È
.Ñ #C B .D .C .B" B( ( ( È
" ! B
" B#
#
ÈÈ
Solución
+Ñ BCD .D .C .B œB C
$
)( ( (È! !
" " #
# #
,Ñ -9= .C .B .D œÎ Î BD C
D )( ( ( Š ‹! ! !
# # #1 1 1
-Ñ .D .C .B œ B C
C D #( ( (" $ !
# $ C
# #
È1
.Ñ #C B .D .C .B œ !" B( ( ( È
" ! B
" B#
#
ÈÈ
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La integral triple permite calcular el volumen de sólidos de la forma donde se( ( ( W
.Z .Z
usará como: .Z œ .D .C .B ß .Z œ .D .B .C
:Ejemplos
1) Determinar el volumen de la región, en el primer octante, limitada superiormante por el cilindroD C œ " B C œ " à B C œ $# # y situada entre los planos
En el plano se observaBC
B C œ " Ê B œ " C B C œ $ Ê B œ $ C
Z œ .D .B .C( ( (! "C !
" $C "CÈ #
Z œ D .B .C( ( º! "C
" $C "C
!
È #
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Z œ " C .B .C( ( È! "C
" $C#
Z œ " C † B .C( È º!
"#
$C
"C
Z œ " C $ C " C .C( È a b!
"#
Z œ # " C .C( È!
"#
C œ =/8 Ê .C œ -9= .) ) )
C œ ! Ê œ ! C œ " Ê œ#
) )1
Z œ # " =/8 † -9= .( È!
#
1#
) ) )
Z œ # -9= .(!
#
1#
) )
Z œ # ." -9=#
#( Œ !
1# )
)
Z œ =/8#
#Œ º)
)1#
!
u. de v.Z œ Ò Ó#
1
Si se considera la integral sería.Z œ .D .C .B
Z œ .D .C .B .D .C .B .D .C .B( ( ( ( ( ( ( ( (! "B ! " ! ! # ! !
" " "C # " "C $ $B "CÈ È È# # #
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2) Determinar el volumen de la esfera B C D œ +# # # #
En el plano BC
Por simetría
Z œ ) .D .C .B( ( (! ! !
+ + B + B CÈ È# # # # #
Z œ ) D .C .B( ( º! !
+ + B + B C
!
È È# # # # #
Z œ ) + B C .C .B( ( È! !
+ + B# # #
È # #
a b a bŒ + B C œ + B " C
+ B# # # # #
#
# #
VIR
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a b a b” • È+ B C œ + B " C
+ B
# # # # #
# #
#
C
+ Bœ =/8 Ê C œ + B =/8 Ê .C œ + B -9= .È È È
# #
# # # #) ) ) )
C œ ! Ê œ ! C œ + B Ê œ#
) )1È # #
Z œ ) + B " .C .BC
+ B( (
ÍÍÍÌ a b” • È! !
+ + B# #
# #
#È # #
Z œ ) + B † " =/8 † + B -9= . .B( ( È È È! !
+# # # # #
1#
) ) )
Z œ ) + B -9= . .B( ( ˆ ‰! !
+# # #
1#
) )
Z œ ) + B . .B" -9=#
#( (ˆ ‰! !
+# #
1# )
)
Z œ % + B .B=/8#
#( ˆ ‰Œ º!
+# #
!
))
1#
Z œ % + B .B#
( ˆ ‰!
+# # 1
Z œ # + B B
$1Œ º#
$ +
!
[u. de v.]Z œ +%
$$1
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3) Determinar el volumen, sobre el plano del sólido formado por el cilindro y elBC B C œ #&# #
plano B C D œ )
En el plano BC
Z œ .D .C .B( ( (& #&B !
& #&B )BC
ÈÈ
#
#
Z œ D .C .B( ( º& #&B
& #&B )BC
!ÈÈ
#
#
Z œ ) B C .C .B( ( a b& #&B
& #&B
ÈÈ
#
#
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Z œ )C BC .BC
#( Œ º&
& # #&B
#&B
ÈÈ
#
#
Z œ "' #& B #B #& B .B( Š ‹È È&
&# #
( È&
&#"' #& B .B
#& B œ #& " Ê #& B œ #& " B
&# #B
#&
#Š ‹ Š ‹” •#
B
&œ =/8 Ê B œ &=/8 Ê .B œ & -9= .) ) ) )
B œ & Ê œ B œ " Ê œ# #
) )1 1
( (È Ë ” •Š ‹& &
& &#
#
"' #& B .B œ "' #& " .BB
&
œ %!! -9= .(
#
1
1
#
#
) )
œ %!! ." -9=#
#(1
1
#
# ))
œ #!! =/8#
#Œ º)
)1
1
#
#
œ #!!1
# B #& B .B( È&
&#
? œ #& B Ê .? œ #B .B Ê œ B.B.?
##
? œ & Ê ? œ ! ? œ & Ê ? œ !
# B #& B .B œ # ? †.?
#( (È È& !
& !#
œ ! Luego,
Z œ #!! !1 [u. de v.]Z œ #!!1
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143
Ejercicios
Determinar, en coordenadas cartesianas, el volumen del sólido limitado por À
El cilindro los planos +Ñ B C œ "' ß C D œ % ß C œ # ß D œ ! ß B œ !# #
El cilindro los planos,Ñ B %C œ % ß D œ ! à D œ B ## #
El cono y el plano -Ñ %B *C $'D œ ! D œ "# # #
El plano con .Ñ D œ ' #C ! Ÿ B Ÿ % à ! Ÿ C Ÿ #
Los planos /Ñ D œ ' B C à C œ B à C œ #
Solución
[u. de v.]+Ñ Z œ .D .B .C œ'%
$( ( (# ! !
% "'C %CÈ #
1
[u. de v.],Ñ Z œ .D .C .B œ %( ( (# !
# B#
È
È
%B#
#
%B#
#
1
[u. de v.]-Ñ Z œ % .D .C .B œ #( ( (! !
$ "# *B#
$
%B *C# #
'
È
É 1
[u. de v.].Ñ Z œ .D .C .B œ $#( ( (! ! !
% # '#C
[u. de v.]/Ñ Z œ .D .C .B œ )( ( (! B !
# # 'BC
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Transformación de Integrales Triples
Al trabajar con integrales triples, a veces, es conveniente hacer uso de algún sistema decoordenadas que no sea el sistema de coordenadas cartesianas
Coordenadas Cilíndricas
Las coordenadas cilíndricas constan de coordenadas polares en el plano y una coordenada comoDen el sistema cartesiano. Las fórmulas de transformación de coordenadas cartesianas a cilíndricas son:
B œ < -9=) C œ < =/8) D œ D
En el plano BC
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Z œ .Z œ < .D .< .W
( ( ( ( ( () ) )
) ) )
œ <œ< DœD ß<
œ <œ< DœD ß<
" " "
# # #
a ba b
)
Ejemplos
1) Determinar el volumen del sólido limitado por el semicono y el planoD œ B C D œ %È # #
En el plano sólo existe un punto, pero en un plano paralelo al plano , , se forma laBC BC D œ %circunferencia B C œ "'# #
B C œ "' Ê < -9= < =/8 œ "'# # # #a b a b) ) Ê < -9= < =/8 œ "'# # # #) )
Ê < -9= =/8 œ "'# # #a b) )
Ê < œ "'#
Ê < œ % El cono en coordenadas cilíndricas queda:
D œ B C Ê D œ < -9= < =/8 Ê D œ <È Éa b a b# # # #) )
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146
: No es posible reemplazar en el valor de porque corresponde a la figuraNota D œ < < œ %ß < œ %que queda en el plano , por lo tanto se está trabajando en , en cambio corresponde a laBC D œ <‘#
transformación de una superficie, es decir, se está trabajando en Luego, los sistemas son incompatibles.‘3Þ
Por simetría
Z œ % < .D .< .( ( (! ! <
% %1#
)
Z œ % <D .< .( ( º! !
% %
<
1#
)
Z œ % %< < .< .( ( ˆ ‰! !
%#
1#
)
Z œ % #< .<
$( Œ º!
#$ %
!
1#
)
Z œ % .$#
$(!
1#
)
Z œ"#)
$º1#
!
[u. de v.]Z œ'%
$1
2) Determinar el volumen del sólido, sobre el plano , limitado por el cilindro BC B C $ œ *# #a by el cono B C œ D# # #
En el plano BC
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B C $ œ * Ê B C 'C * œ *# # ##a b Ê < '< -9= œ !# )
Ê < < '=/8 œ !a b) Ê < œ ! ß < œ '=/8" # ) El cono en coordenadas cilíndricas queda:
B C œ D Ê < œ D Ê < œ D# # # # #
Z œ < .D .< .( ( (! ! !
'=/8 <1 )
)
Z œ <D .< .( ( º! !
'=/8 <
!
1 )
)
Z œ < .< .( (! !
'=/8#
1 )
)
Z œ .<
$( º!
$ '=/8
!
1 )
)
Z œ #"'=/8 ."
$(!
$1
) )
Z œ (# =/8 =/8 .(!
#1
) ) )
Z œ (# =/8 " -9= .( ˆ ‰!
#1
) ) )
Z œ (# =/8 =/8 -9= .( ˆ ‰!
#1
) ) ) )
Z œ (# -9= -9=
$Œ º)
)$
!
1
[u.de v.]Z œ *'
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148
Ejercicios
Calcular, en coordenadas cilíndricas, el volumen del sólido limitado por À
La esfera y el cilindro +Ñ B C D œ "' B C œ %# # # # #
El plano , el cilindro y el paraboloide ,Ñ D œ ! B C œ " D œ B C# # # #
El cilindro y los planos -Ñ B C œ % D œ ! ß C D œ %# #
Solución
[ u. de v.]+Ñ Z œ # < .D .< . œ # "' $"#)
$( ( ( Œ È! ! !
# # "'<1 È #
) 1
[ u. de v.],Ñ Z œ < .D .< . œ#
( ( (! ! !
# " <1 #
)1
[ u. de v.]-Ñ Z œ < .D .< . œ "'( ( (! ! !
# # %< =/81 )
) 1
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Coordenadas Esféricas
Si en la región una de las superficies es una esfera, conviene trabajar con coordenadas esféricasWmediante la transformación
B œ -9= =/83 ) 9 C œ =/8 =/83 ) 9 D œ -9=3 9
En el plano BC
En el plano DC
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150
varía desde hasta ) ) ) 1œ ! œ # varía desde hasta 9 9 9 1œ ! œ varía desde hasta 3 3 3 3 3œ œ" #
Z œ .Z œ =/8 . . .W
( ( ( ( ( () ) 9 9 3 3
9 9
œ œ œ
œ#
" " "
œ # œ# #) ) 3 3
3 9 3 9 )
:Ejemplos
1) Determinar el volumen de la esfera B C D œ +# # # #
B C D œ +# # # #
Ê -9= =/8 =/8 =/8 -9= œ +a b a b a b3 ) 9 3 ) 9 3 9# # # #
Ê -9= =/8 =/8 =/8 -9= œ +3 ) 9 3 ) 9 3 9# # # # # # # # #
Ê =/8 -9= =/8 -9= œ +3 9 ) ) 3 9# # # # # # #a b Ê =/8 -9= œ +3 9 9# # # #a b Ê œ +3# #
Ê œ +3
Z œ =/8 . . .( ( (! ! !
# +#
1 1
3 9 3 9 )
Z œ =/8 . .$
( ( º! !
# $ +
!
1 1 39 9 )
Z œ =/8 . .+
$
$
! !
#( (1 1
9 9 )
Z œ -9= .+
$
$
!
#
!( º1 1
9 )
Z œ + .#
$$
!
#( 1
)
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Z œ +#
$$
#
!
)º 1
[u. de v.]Z œ +%
$1 $
2) Calcular el volumen que se forma en el interior de la esfera y el conoB C D œ #+D# # #
B C œ D# # #
B C D œ #+D Ê B C D #+D œ ! Ê B C D + œ +# # # # # # # # ##a b Intersección de las superficies
B C D œ #+D# # #
B C œ D Ê #D œ #+D Ê #D #+D œ ! Ê D œ ! ß D œ +# # # # #" #
Considerando las simetrías en el plano se observa:DC
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Transformando las superficies a coordenadas esféricas se tiene:
B C D œ #+D Ê œ #+ -9= Ê #+ -9= œ !# # # # #3 3 9 3 3 9 Ê œ ! ß œ #+ -9=3 3 9" #
B C œ D Ê -9= =/8 =/8 =/8 œ -9=# # # # # # # # # # #3 ) 9 3 ) 9 3 9
Ê =/8 -9= =/8 œ -9=3 9 ) ) 3 9# # # # # #a b Ê =/8 œ -9=3 9 3 9# # # #
Ê =/8 œ -9=# #9 9
Ê >1 œ " Ê œ%
#9 91
Por simetría
Z œ % =/8 . . .( ( (! ! !
#+-9=#
1 1# % 9
3 9 3 9 )
Z œ % =/8 . .$
( ( º! !
$ #+ -9=
!
1 1# % 3
9 9 )9
Z œ -9= =/8 . .$#+
$
$
! !
$( (1 1# %
9 9 9 )
Z œ .$#+ -9=
$ %
$ %
! !( º
1 1# %9
)
Z œ + .) $
$ %$
!( 1
#
)
Z œ #+$
!
)º1#
[u.de v.]Z œ +$1
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3) Calcular el volumen que queda en el interior de la esfera y el paraboloideB C D œ %D# # #
D œ B C# #
B C D œ %D Ê B C D %D œ ! Ê B C D # œ %# # # # # # # # #a b Intersección de las superficies
B C D œ %D# # #
B C œ D Ê D D œ %D Ê D $D œ ! Ê D œ ! ß D œ $# # # #" #
Considerando las simetrías en el plano se observa:DC
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Transformando las superficies a coordenadas esféricas se tiene:
B C D œ %D Ê œ % -9= Ê % -9= œ !# # # # #3 3 9 3 3 9 Ê œ ! ß œ % -9=3 3 9" #
B C œ D Ê -9= =/8 =/8 =/8 œ -9=# # # # # # # #3 ) 9 3 ) 9 3 9 Ê =/8 -9= =/8 œ -9=3 9 ) ) 3 9# # # #a b Ê =/8 œ -9=3 9 3 9# #
Ê =/8 -9= œ !3 9 3 9# #
Ê œ ! ß œ œ -9>1 -9=/--9=
=/83 3 9 9
9
9" # #
Igualando los 3
% -9= œ-9=
=/89
9
9#
(se están considerando las simetrías)=/8 œ Ê =/8 œ Ê œ" "
% # '#9 9 9
1
Por simetría
Z œ % =/8 . . . % =/8 . . .( ( ( ( ( (! ! ! ! !
%-9= -9>1 -9=/-# #
1 1 1 1
1
# # #6
6
9 9 9
3 9 3 9 ) 3 9 3 9 )
Z œ % =/8 . . % =/8 . .$ $
( ( ( (º º! ! !
$ $% -9= -9>1 -9=/-
! !
1 1 1 1
1
# ' # #3 39 9 ) 9 9 )
9 9 9
6
Z œ -9= =/8 . . -9>1 -9=/- . .#&' %
$ $( ( ( (! ! !
$ $ #
1 1 1 1
1
# ' # #
9 9 9 ) 9 9 9 )6
Z œ . .#&' -9= % -9>1
$ % $ %( (º º! !
% %
!
1 11 1
1
# #' #
'
9 9) )
Z œ . * .'% ( "
$ "' $( (! !
1 1# #
) )
Z œ $#)
$) )º º
1 1# #
! !
[u.de v.]Z œ$(
'1
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155
Ejercicios
I Calcular, en coordenadas esféricas, el volumen del sólido À
Dentro de la esfera y arriba del cono +Ñ B C D œ %D B C œ D# # # # # #
,Ñ B C œ D à B C œ $DComprendido por los conos y bajo la semiesfera# # # # # #
D œ % B CÈ # #
Dentro de la esfera y sobre -Ñ B C D œ % D œ "# # #
II Evalue la integral usando coordenadas cilíndricas o esféricas
+Ñ .D .C .B" B " B C D
B C( ( (È È
È! ! !
" # # #
# #
,Ñ D .D .B .C" C # B C
B C
#( ( (È ÈÈ! !
" # # #
# #
-Ñ .D .B .C% C % B C "
B C D( ( (È È! ! !
# # # #
# # #
III Convierta la siguiente integral a coordenadas esféricas y rectangulares
( ( (È
! ! !
"# % <#
< .D .< .1
)
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Solución I
[u. de v.]+Ñ Z œ =/8 . . . œ )( ( (! ! !
# Î% %-9=#
1 1 9
3 9 3 9 ) 1
,Ñ Z œ =/8 . . . =/8 . . .( ( ( ( ( (! ! ! ! ! !
# Î$ # # Î% ## #
1 1 1 1
3 9 3 9 ) 3 9 3 9 )
o
Z œ =/8 . . .( ( (! Î% !
# Î$ ##
1 1
1
3 9 3 9 )
[u. de v.]Z œ) # )
$1 È
[u. de v.]-Ñ Z œ =/8 . . . œ&
$( ( (! ! "Î-9=
# Î$ ##
1 1
9
3 9 3 9 ) 1
II
+Ñ .D .C .B œ" B " B C D
B C '( ( (È È
È! ! !
" # # #
# #
1
,Ñ D .D .B .C œ" C # B C
B C
# # "
"&( ( (È È
È È! !
" # # #
# #
# 1
-Ñ .D .B .C œ% C % B C "
B C D( ( (È È! ! !
# # # #
# # #1
III
( ( ( ( ( (È
! ! ! ! ! !
" " "B %B C# % <#
< .D .< . œ % .D .C .B1
)
È È# # #
( ( ( ( ( (È
! ! ! ! ! !
" Î# Î' ##
# % <#
< .D .< . œ % =/8 . . .1
) 3 9 3 9 )1 1
% =/8 . . .( ( (! Î' !
Î# Î# "Î=/8#
1 1 9
1
3 9 3 9 )
[u. de v.]( ( (È
Œ È! ! !
"# % <#
< .D .< . œ # $"'
$
1) 1
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Campos Vectoriales
Son funciones que asignan a un punto del plano o del espacio un vector.
:Conceptos
1) Sean y dos funciones de dos variables definidas en una ciertaQ œ 0 Bß C R œ 0 Bß Ca b a bregión del plano . La función definida por:V J
jyxNiyxMyxF ),(),(),( +=
se llama campo vectorial sobre VÞ
2) Sean tres funciones de tres variables definidas enQ œ 0 Bß Cß D àR œ 0 Bß Cß D à T Bß Cß Da b a b a buna región del espacio. La función definida por:W J
kzyxPjzyxNizyxMzyxF ),,(),,(),,(),,( ++=
se .llama campo vectorial sobre W
El gradiente es un ejemplo representativo de campo vectorial pues:
+Ñf0 Bß C œ 0 Bß C † 3 0 Bß C † 4a b a b a bB C
Haciendo y se tiene que Q œ 0 Bß C R œ 0 Bß C f0 Bß C œ Q3 R4B Ca b a b a b ,Ñf0 Bß Cß D œ 0 Bß Cß D † 3 0 Bß Cß D † 4 0 Bß Cß D † 5a b a b a b a bB C D
Haciendo se tiene queQ œ 0 Bß Cß D àR œ 0 Bß Cß D à T œ 0 Bß Cß DB C Da b a b a bf0 Bß Cß D œ Q3 R4 T5a b Algunos ejemplos físicos de campos vectoriales son:
a) los cuales se usan para describir el movimiento de un sistema deCampos de velocidadespartículas en el plano o en el espacio como también para describir el flujo de corrientes de aire alrededor deun objeto en movimiento.
b) se definen mediante la ley de la gravitación de Newton, que estableceCampos gravitacionalesque la fuerza de atracción ejercida sobre una partícula de masa localizada en por una partícula7 Bß Cß D" a bde masa localizada en es:7 !ß !ß !# a b J Bß Cß D œ † ?
K7 7
B C Da b " #
# # #
p
con la constante gravitatoria y un vector unitario en la dirección que va del origen a .K ? Bß Cß Dp a b
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c) se definen por la ley de Coulomb, que establece que la fuerzaCampos de fuerzas eléctricasejercida sobre una partícula con carga eléctrica localizada en por una partícula con carga; Bß Cß D" a beléctrica localizada en viene dada por:; !ß !ß !# a b J Bß Cß D œ † ?
- ; ;
m<ma b " #
#
p
donde , y una constante que depende de la elección de unidades para ; < œ B3 C4 D5 ? œ - m<m ;<
m<m
p"
y .;#
Campo vectorial conservativo
Un campo de vectores se llama conservativo si existe una función diferenciable tal queJJ œ f0 . La función se llama de .0 Jfunción potencial
Los campos gravitacionales, los magnéticos y los de fuerzas eléctricas son conservativos. Que un campo vectorial sea conservativo significa que cumple con las condiciones de la ley deconservación de la energía (la suma de la energía cinética y la energía potencial de una partícula esconstante).
Campo vectorial conservativo en el plano
Sean y dos funciones de dos variables que tienen primeras derivadasQ œ 0 Bß C R œ 0 Bß Ca b a bparciales continuas, entonces :
xN
yMjyxNiyxMyxF
∂∂
=∂∂
⇔+= voconservati es ),(),(),(
Ejemplos
Decida si el campo vectorial es conservativo, en caso afirmativo, encuentre la función potencial.
"Ñ J Bß C œ B C 3 BC 4a b #
Q œ B C Ê œ B`Q
`C# #
R œ BC Ê œ C`R
`B
, por lo tanto, el campo vectorial no es conservativo. `Q `R
`C `BÁ
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#Ñ J Bß C œ %B #C $B C 3 $C #B #B C 4a b a b a b$ # # # $
Q œ %B #C $B C Ê œ # 'B C`Q
`C$ # # #
R œ $C #B #B C Ê œ # 'B C`R
`B# $ #
, por lo tanto, el campo vectorial es conservativo.`Q `R
`C `Bœ
J œ f0 Bß Ca b Q Bß C 3 R Bß C 4 œ 0 Bß C 3 0 Bß C 4a b a b a b a bB C
Luego, por igualdad de vectores, Q Bß C œ 0 Bß C ß R Bß C œ 0 Bß Ca b a b a b a bB C
Así,
0 Bß C œ %B #C $B C Î .BB$ # #a b (
( (a b ˆ ‰0 Bß C .B œ %B #C $B C .BB$ # #
0 Bß C œ B #BC B C G C "a b a b a b% $ #
0 Bß C œ $C #B #B C Î .CC# $a b (
( (a b ˆ ‰0 Bß C .C œ $C #B #B C .CC# $
0 Bß C œ C #BC B C G B #a b a b a b$ $ #
De 1 y 2 se tienea b a b , donde 0 Bß C œ #BC B C B C G G B œ B ß G C œ Ca b a b a b$ # % $ % $
$Ñ J Bß C œ / BC/ C -9= BC 3 B / =/8 BC BC -9= BC 4a b a b a ba b a b a bBC BC # # BC
Q œ / BC/ C -9= BCBC BC # a b
`Q
`Cœ B/ B/ B C/ #C -9= BC BC =/8 BCBC BC # BC #a b a b
R œ B / =/8 BC BC -9= BC# BC a b a b
`R
`Bœ #B/ B C/ C -9= BC C -9= BC BC =/8 BCBC # BC #a b a b a b
, por lo tanto, el campo vectorial es conservativo.`Q `R
`C `Bœ
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J œ f0 Bß Ca b 0 Bß C œ / BC/ C -9= BC Î .BB
BC BC #a b a b ( ( (a b a bˆ ‰0 Bß C .B œ / BC/ C -9= BC .BB
BC BC #
? œ BC Ê .? œ C .B
.@ œ / .B Ê @ œ/
CBC
BC
0 Bß C œ BC † † C .B / / / C =/8 BC
C C C Ca b ( a bBC BC BC #
0 Bß C œ B/ C =/8 BC G C/ /
C Ca b a b a bBC BC
BC
0 Bß C œ B/ C=/8 BC G C "a b a b a b a bBC
0 Bß C œ B / =/8 BC BC -9= BC Î .CC# BCa b a b a b (
( (a b a b a bˆ ‰0 Bß C .C œ B / =/8 BC BC -9= BC .CC# BC
? œ BC Ê .? œ B.C
.@ œ -9= BC .C Ê @ œ=/8 BC
Ba b a b
0 Bß C œ BC † † B .CB / -9= BC =/8 BC =/8 BC
B B B Ba b a b a b a b(# BC
0 Bß C œ B/ C =/8 BC G B-9= BC -9= BC
B Ba b a b a ba b a bBC
0 Bß C œ B/ C =/8 BC G B #a b a b a b a bBC
De 1 y 2 se tienea b a b , donde 0 Bß C œ B/ C=/8 BC G G B œ G C œ Ga b a b a b a bBC
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Ejercicios
Decida si el campo vectorial dado es conservativo, en caso afirmativo, hallar la función potencial.
"Ñ JÐBß CÑ œ Ð#B $CÑ 3 $ÐB C Ñ 4#
#Ñ JÐBß CÑ œ 3 4#B B
C C
#
#
$Ñ JÐBß CÑ œ 3 4#B #C
B C B C# # # #
%Ñ JÐBß CÑ œ #BC 3 $C B 4$ # #
&Ñ JÐBß CÑ œ / Ò=/8 C 3 Ð-9= C #Ñ 4 ÓB
'Ñ JÐBß CÑ œ B/ 3 C/ 4C B
Solución
"Ñ 0 Bß C œ $BC B C G G B œ B àG C œ Ca b a b a b# $ # $
#Ñ 0 Bß C œ G G B œ G C œ GB
Ca b a b a b#
$Ñ 0 Bß C œ 68 B C G G B œ G C œ Ga b a b a b¸ ¸# #
%Ñ 0 Bß C œ B C G G B œ G C œ Ga b a b a b# $
No es conservativo&Ñ
No es conservativo'Ñ
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Concepto de rotacional de un campo vectorial en el espacio
El rotacional de esJ Bß Cß D œ Q3 R4 T5a b
kyM
xNj
zM
xPi
zN
yP
PNMzyx
kji
zyxFzyxrotF
∂∂
−∂∂
+
∂∂
−∂∂
−
∂∂
−∂∂
=
∂∂
∂∂
∂∂
=
×∇=
),,(),,(
Campo vectorial conservativo en el espacio
Sean y tres funciones de tres variables dondeQ œ 0 Bß Cß D ß R œ 0 Bß Cß D T œ 0 Bß Cß Da b a b a bsus primeras derivadas son continuas. El campo vectorial es conservativo si,J Bß Cß D œ Q3 R4 T5a by sólo si , es<9>J Bß Cß D œ Ò !ß !ß ! Óa bdecir,
yM
xN
zM
xP
zN
yP
∂∂
=∂∂
∂∂
=∂∂
∂∂
=∂∂ ,,
:Ejemplos
Decida si el campo vectorial dado es conservativo, en caso afirmativo, hallar la función potencial.
"Ñ J Bß Cß D œ B C D 3 B D 4 B C 5a b $ # # #
Q œ B C D R œ B D T œ B C$ # # #
<9> J œ
3 4 5` ` `
`B `C `DB C D B D B C
a bâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â$ # # #
œ 3 B B 4 #BC B C 5 #BD #B CDa b a b a b# # $ # $
por lo tanto, no es conservativo.<9> J Á Ò !ß !ß ! Ó ß Ja b #Ñ J Bß Cß D œ #BC 3 B D 4 #CD 5a b a b# #
Q œ #BC R œ B D T œ #CD# #
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<9> J œ
3 4 5` ` `
`B `C `D#BC B D #CD
a bâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â# #
œ 3 #D #D 4 ! ! 5 #B #Ba b a b a b por lo tanto, es conservativo.<9> J œ Ò !ß !ß ! Ó ß Ja b J Bß Cß D œ f0 Bß Cß Da b a bQ Bß Cß D 3 R Bß Cß D 4 T Bß Cß D 5 œ 0 Bß Cß D 3 0 Bß Cß D 4 0 Bß Cß D 5a b a b a b a b a b a bB C D
Luego, por igualdad de vectores, ,Q Bß C D œ 0 Bß Cß D ß R Bß Cß D œ 0 Bß Cß D ßa b a b a b a bB C
T Bß Cß D œ 0 Bß Cß Da b a bD
Así,
0 Bß Cß D œ #BC Î .BBa b ( ( (a b0 Bß Cß D .B œ #BC.BB
0 Bß Cß D œ B C G Cß D "a b a b a b#
0 Bß Cß D œ B D Î .CC# #a b (
( (a b ˆ ‰0 Bß Cß D .C œ B D .CC# #
0 Bß Cß D œ B C D C G Bß D #a b a b a b# #
0 Bß Cß D œ #CD Î .DDa b ( ( (a b0 Bß Cß D .D œ #CD .DD
0 Bß Cß D œ CD G Bß C $a b a b a b#
De , y a b a b a b" # $
donde0 Bß Cß D œ B C CD G G Bß C œ B C ß G Cß D œ CD ß G Bß D œ Ga b a b a b a b# # # #
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$Ñ J Bß Cß D œ C/ -9=D =/- B 68 CD 3 B/ -9=D 4>1 B
Ca b a ba b Œ BC # BC
/ =/8D 5>1B
DŒ BC
Q œ C/ -9=D =/- B 68 CDBC # a b R œ B/ -9=D
>1 B
CBC
T œ / =/8D
>1B
DBC
<9> J œ
3 4 5` ` `
`B `C `D
C/ -9=D =/- B 68 CD B/ -9=D / =/8D >1 B >1B
C D
a bâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ âa bBC # BC BC
œ 3 B/ =/8D B/ =/8D 4 C/ =/8D C/ =/8D =/- B =/- B
D Da b Œ BC BC BC
# #BC
5 / -9=D BC/ -9=D / -9=D BC/ -9=D =/- B =/- B
C CŒ BC BC
# #BC BC
por lo tanto, es conservativo.<9> J œ Ò !ß !ß ! Ó ß Ja b J œ f0 Bß Cß Da b 0 Bß Cß D œ C/ -9=D =/- B 68 CD Î .BB
BC #a b a b ( ( (a b a bˆ ‰0 Bß Cß D .B œ C/ -9=D =/- B 68 CD .BB
BC #
0 Bß Cß D œ >1B 68 CD G Cß DC/ -9=D
Ca b a b a bBC
0 Bß Cß D œ / -9=D >1B 68 CD G Cß Da b a b a bBC
0 Bß Cß D œ / -9=D >1B 68C >1B 68D G Cß D "a b a b a bBC
0 Bß Cß D œ B/ -9=D Î .C>1 B
CC
BCa b ( ( (a b Œ 0 Bß Cß D .C œ B/ -9=D .C
>1 B
CC
BC
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0 Bß Cß D œ >1B 68 C G Bß DB/ -9=D
Ba b a bBC
0 Bß Cß D œ / -9=D >1B 68 C G Bß D #a b a b a bBC
0 Bß Cß D œ / =/8D Î .D>1B
DD
BCa b ( ( (a b Œ 0 Bß Cß D .D œ / =/8D .D
>1B
DD
BC
0 Bß Cß D œ / -9=D >1B 68D G Bß C $a b a b a bBC
De , y a b a b a b" # $
donde0 Bß Cß D œ / -9=D >1B 68D >1B 68C G G Bß C œ >1B 68C ß G Bß D œ >1B 68Dßa b a b a bBC
G Cß D œ Ga b
Ejercicios
I Encontrar el rotacional en el punto indicado
"Ñ JÐBß Cß DÑ œ BCD 3 C 4 D 5 Ð " ß #ß " Ñ
#Ñ JÐBß Cß DÑ œ B D 3 #BD 4 CD 5 Ð #ß "ß $ Ñ#
$Ñ JÐBß Cß DÑ œ / =/8 C 3 / -9=C 4 5 Ð !ß !ß $ ÑB B
%Ñ JÐBß Cß DÑ œ / Ð 3 4 5 Ñ Ð $ß #ß ! ÑBCD
II Encuentre donde<9>Ð J ‚ K Ñ À
"Ñ JÐBß Cß DÑ œ 3 #B 4 $C 5 KÐBß Cß DÑ œ B 3 C 4 # 5
#Ñ JÐBß Cß DÑ œ B 3 D 5 KÐBß Cß DÑ œ B 3 C 4 D 5 # #
III Decida si el campo vectorial es conservativo, en caso afirmativo, encuentre la funciónpotencial.
"Ñ JÐBß Cß DÑ œ C/ 3 B/ 4 / 5D D D
#Ñ JÐBß Cß DÑ œ $B C D 3 #B CD 4 B C 5# # $ $ #
$Ñ JÐBß Cß DÑ œ 3 4 Ð#D "Ñ 5" B
C C#
%Ñ JÐBß Cß DÑ œ 3 4 5B C
B C B C# # # #
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Solución
I
"Ñ <9> J "ß #ß " œ #4 5a b #Ñ <9> J #ß "ß $ œ (3 %4 '5a b $Ñ <9> J !ß !ß $ œ #5a b %Ñ <9> J $ß #ß ! œ '3 '4a b II
"Ñ <9> J ‚ K œ 3 %B 4 $C 5a b #Ñ <9> J ‚ K œ B B #BD 3 #BD D D 5a b a b a b# #
III
No es conservativo"Ñ
#Ñ 0 Bß Cß D œ B C D Ga b $ #
G Bß C œ G Bß D œ G Cß D œ Ga b a b a b
$Ñ 0 Bß Cß D œ D D GB
Ca b #
G Bß C œ à G Bß D œ G Cß D œ D D
B
Ca b a b a b #
%Ñ 0 Bß Cß D œ 68 B C D G"
#a b ¸ ¸# #
G Bß C œ 68 B C à G Bß D œ G Cß D œ D"
#a b a b a b¸ ¸# #
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Integral de Trayectoria
Suponga que tiene una función escalar , de modo que envíe puntos de a números0 À È 0‘ ‘ ‘$ $
reales. Puede ser útil integrar la función a lo largo de la trayectoria 0 À Ò +ß , Ó È ß > È > œ Ò B >9 ‘ 9$ a b a bß C > ß D > Óa b a b Por ejemplo:
1) Si representa un alambre y :9a b> a) si denota la densidad de masa de , entonces podría ser interesante conocer la0 Bß Cß D Bß Cß Da b a bmasa total del alambre.
b) si representa la temperatura de , entonces podría ser interesante calcular la0 Bß Cß D Bß Cß Da b a btemperatura promedio del alambre.
Para ambos casos se requiere integrar sobre .0 Bß Cß Da b 9
: la integral de trayectoria o la integral de a lo largo de la trayectoria estáConcepto 0 Bß Cß Da b 9definida cuando la función es continua en un cierto intervalo> È 0Ò B > ß C > ß D > Óa b a b a bÒ +ß ,Ó.
Así, ( ( a b a b a b a b 90 œ 0Ò B > ß C > ß D > Ó † m > m † .>
+
,w9
( ( a b a b 90 œ 0Ò > Ó † m > m † .>
+
,w9 9
Ejemplo
Sea y sea Obtener 9 1 ‘ 9À Ò !ß # Ó È ß > È > œ Ò -9= > ß =/8 > ß > Ó 0 Bß Cß D œ B C D Þ 0$ # # #a b a b ( 9
B œ -9= > Ê œ =/8>.B
.>
C œ =/8 > Ê œ -9=>.C
.>
D œ > Ê œ ".D
.>
.
.>œ =/8> ß -9=> ß "
9 a b m > m œ =/8 > -9= > " œ #9w # #a b È È 0 > œ -9= > =/8 > > œ " >a b # # # #
( ( ˆ ‰È 9
1
0 œ " > # .>!
##
œ # > >
$È Œ º$ #
!
1
œ # # )
$È Œ 1
1$
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Integral de Línea
Si es un campo de fuerza en el espacio, entonces una partícula de prueba ( por ejemplo, unaJpequeña unidad de carga en un campo de fuerza eléctrico o una unidad de masa en un campo gravitacional) experimentará la fuerza . Suponga que la partícula se mueve a lo largo de la imagen de una trayectoriaJ
9 9 mientras actúa sobre ella. Si es un desplazamiento recto dado por el vector y es una fuerzaJ . Jp
constante, entonces el trabajo realizado por al mover la partícula a lo largo de la trayectoria esJ
[ œ J † .p
. Más generalmente, si la trayectoria es curva se puede imaginar como una sucesión infinita dedesplazamientos rectos. Así, el trabajo realizado por el campo de fuerza sobre una partícula que se mueve a lo largo deJla trayectoria es9 ‘À Ò +ß , Ó È $
[ œ JÒ > Ó † > † .>( a b a b+
,w9 9
Concepto : Sea F un campo vectorial en 3R , continuo en la trayectoria[ ] 3,: Rba →φ . La integral de línea de F , denotada por ∫φ F a lo largo de φ es:
( )[ ] dtdtd
tfFb
a⋅⋅=∫ ∫
φφφ
Es decir, se integra el producto punto de con sobre el intervalo .J > Ò +ß , Ó9wa b :Ejemplo
Sea y sea 9 1 ‘ 9À Ò !ß # Ó È ß > È > œ Ò =/8 > ß -9= > ß > Ó J Bß Cß D œ B 3 C 4 D 5Þ$ a b a bObtener la integral de línea
B œ =/8 > Ê œ -9=>.B
.>
C œ -9= > Ê œ =/8>.C
.>
D œ > Ê œ ".D
.>
.
.>œ -9=> ß =/8> ß "
9 a b J > œ =/8 > 3 -9= > 4 > 5a b J > † œ =/8 >ß -9= >ß > † -9=> ß =/8> ß "
.
.>a b a b a b9
œ =/8> -9=> -9=> =/8> > œ >
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( ( 9
1
J œ > .>!
#
œ>
#
# #
!º 1
[ u. de w]œ #1#
La integral de línea también se puede escribir en forma diferencial como:
donde son las componentes del campo vectorial (9
Q .B R .C T .D QßRßT J Þ
:Ejemplos
1) Calcular donde 1( a b9
B .B BC .C .D À Ò !ß Ó È ß > È > œ Ò > ß > ß "Ó# $ #9 ‘ 9
B œ > Ê œ ".B
.>
C œ > Ê œ #>.C
.>#
D œ " Ê œ !.D
.>
.
.>œ " ß #> ß !
9 a b J Bß Cß D œ B 3 BC 4 5a b #
J > œ > 3 > 4 5a b # $
J > † œ > ß > ß " † " ß #> ß !.
.>a b a bˆ ‰9 # $
œ > #># %
( ( ˆ ‰ 9J œ > #> .>
!
"# %
œ > #>
$ &Œ º$ & "
!
[ u. de w]œ""
"&
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170
) Calcular donde # -9=D .B / .C / .D À Ò !ß # Ó È ß > È > œ Ò "ß > ß / Ó( a b9
B C $ >9 ‘ 9
B œ " Ê œ !.B
.>
C œ > Ê œ ".C
.>
D œ / Ê œ /.D
.>> >
.
.>œ ! ß " ß /
9 ˆ ‰> J Bß Cß D œ -9=D 3 / 4 / 5a b B C
J > œ -9= / 3 / 4 / 5a b a b> >
J > † œ -9= / ß /ß / † ! ß " ß /.
.>a b ˆ ‰ ˆ ‰ˆ ‰9 > > >
œ / /#>
( ( ˆ ‰ 9J œ / / .>
!
##>
œ / > /
#Œ º#> #
!
[ u. de w]œ #/ / "
# #Œ %
Sea . Evaluar :$Ñ À Ò !ß ( Î#Ó È ß È œ -9= ß =/8 ß9 1 ‘ ) 9 ) ) ) )$ $ $a b a b ( a b
9
=/8D .B -9=D .C BC .D"Î$
B œ -9= Ê œ $ -9= =/8.B
.$ #) ) )
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C œ =/8 Ê œ $ =/8 -9=.C
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D œ Ê œ ".D
.)
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.
.œ $-9= =/8 ß $ =/8 -9= ß "
9
)) ) ) )ˆ ‰# #
J Bß Cß D œ =/8D 3 -9=D 4 BC 5a b a b"Î$ J > œ =/8 3 -9= 4 -9= =/8 5a b ) ) ) )
VIR
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171
J > † œ $-9= =/8 ß $ =/8 -9= ß " † =/8 ß -9= ß -9= =/8.
.>a b a bˆ ‰9
) ) ) ) ) ) ) )# #
œ $ -9= =/8 $=/8 -9= -9= =/8# # # #) ) ) ) ) )
œ -9= =/8) )
( ( 9
1
J œ -9= =/8 .!
( Î#
) ) )
œ-9=
#
# ( Î#
!
) º 1
[ u. de w]œ ! œ " "
# #
Ejercicios
Determine el valor de la integral de línea si(9
J À
+Ñ J œ B 3 C 4 D 5 à Ð > Ñ œ Ð-9= >ß =/8 > ß > Ñ à > − Ò ! ß # Ó 9 1
,Ñ J œ B 3 BC 4 D 5 à Ð > Ñ œ Ð =/8 >ß -9= >ß > Ñ à > − Ò ! ß # Ó# 9 1
-Ñ J œ ÐB #B Ñ 3 ÐB CÎ#Ñ4 5 à Ð > Ñ œ Ð >ß > ß !Ñ à > − Ò "ß %Ó$ # #9
.Ñ J œ B 3 C 4 &D 5 à Ð > Ñ œ #-9= > 3 #=/8> 4 > 5 à > − Ò ! ß # Ó9 1
/Ñ J œ / Ð C 3 B 4 BC5Ñ à Ð > Ñ œ Ð% )>Ñ 3 $5 à > − Ò ! ß " ÓD 9
Solución
u. de w. u. de w. u. de w.+Ñ J œ # Ò Ó ,Ñ J œ Ò Ó -Ñ J œ !Ò Ó)
$( ( (9 9 9
1 1# $
u. de w. u. de w..Ñ J œ "! Ò Ó /Ñ J œ ! Ò Ó( (9 9
1#
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172
Teorema de Green
El teorema de Green relaciona una integral de línea a lo largo de una curva cerrada en el planoG‘# con una integral doble sobre la región cuya frontera es .G
Tipo de regiones
a) Región tipo1
y son funciones continuas es la región formada por 0 B 1 B a B − Ò + ß , ÓÞ V C œ 0 Ba b a b a bà C œ 1 B à B œ + à B œ ,a b b) Región tipo 2
y son funciones continuas es la región formada por 0 C 1 C a C − Ò - ß . ÓÞ V B œ 0 Ca b a b a bà B œ 1 C à C œ - à C œ .a b
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173
c) Región tipo 3
Es aquella que es uno y dos a la vez
Una curva cerrada simple que sea frontera de una región tipo 1, 2 o 3 tiene dos orientaciones:G
a) : si es contraria al sentido en que se mueven las manecillas de un reloj , se denota porPositivaG.
b) : si es en sentido de las manecillas de un reloj, se denota por .Negativa G
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174
Teorema de Green: Sea R una región tipo 3 con frontera C , con orientación positiva. Si
xN
yM
NM∂∂
∂∂ ,,, son continuas en una región que contiene a R , entonces:
( ) dAyM
xN
NdyMdxC
R∫ ∫∫
∂∂
−∂∂
=+
Ejemplos
1)Usar el teorema de Green para calcularla integral de línea
si es la región del plano formada( ˆ ‰G
$ $ #C .B B $BC .C V
por las curvas en el primer cuadrante.C œ B à C œ B$
Intersección de las curvas
B œ B Ê B B œ ! Ê B B " œ ! Ê B œ ! ß C œ !$ $ #" "a b
Ê B œ " ß C œ "# #
Q œ C Ê œ $C`Q
`C$ #
R œ B $BC Ê œ $B $C`R
`B$ # # #
`R `Q
`B `C œ $B $C $C œ $B# # # #
( ( (ˆ ‰G ! B
$ $ # #" B
C .B B $BC .C œ $B .C .B$
œ $B C .B( º!
"#
B
B$
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175
œ $B $B .B( ˆ ‰!
"$ &
œ $B $B
% '
% ' "
!º
[u. de w]œ"
%
2) Usar el Teorema de Green para calcular la integral de línea si es (G
B.B BC .C V
la región del plano formada la circunferencia B C œ "# #
Q œ B Ê œ !`Q
`C
R œ BC Ê œ C`R
`B
`R `Q
`B `C œ C ! œ C
Por simetría
( ( (G ! !
" "B
B .B BC .C œ % C .C .B
È #
œ % .BC
#( º!
" # "B
!
È #
œ # " B .B( ˆ ‰!
"#
œ # B B
$Œ º$ "
!
[u. de w]œ%
$
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176
3) Sea el campo de fuerza , la trayectoria conJ œ C 3 B $BC 4 œ $ -9= ß $ =/8$ $ #a b a b a b9 ) ) )) 1 )− ! ß # .E œ < .< .[ ]. Usar el teorema de Green para hallar el trabajo.a b B œ $ -9=) C œ $ =/8 Ê B C œ *) # #
Q œ C Ê œ $C`Q
`C$ #
R œ B $BC Ê œ $B $C`R
`B$ # # #
`R `Q
`B `C œ $B $C $C œ $B œ #( -9=# # # # #)
Como e entonces es equivalente a B œ < -9= C œ < =/8 ß B C œ * < œ $) ) # #
( ( (ˆ ‰G ! !
$ $ # ## $
C .B B $BC .C œ #( -9= † < .< .1
) )
œ #( -9= † .<
#( º!
##
# $
!
1
) )
œ -9= .#%$
#(!
##
1
) )
œ .#%$ " -9=#
# #( Œ !
#1 ))
œ #%$ =/8#
% #Œ º)
)#
!
1
[u. de w]œ#%$
#1
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177
Ejercicios
Usar el Teorema de Green en los siguientes ejercicios
+Ñ ÐC BÑ.B Ð#B CÑ.C-
(G À C œ B / C œ B Bfrontera de la región situada entre las gráficas de #
,Ñ #BC.B ÐB CÑ.C-
(G À C œ ! / C œ % Bfrontera de la región situada entre las gráficas de #
-Ñ =/8B -9=C .B ÐBC -9=B =/8CÑ .C-
(G C œ B / C œ B: frontera de la región situada entre las gráficas de È
.Ñ ÐB C Ñ .B #BC .C-
( # #
G À B C œ +# # #
Solución
[u. de w.]+Ñ .C .B œ%
$( (! B B
# B
#
[u. de w.],Ñ # " #B .C .B œ "'
$( ( a b! !
# %B#
[u. de w.]-Ñ C .C .B œ"
"#( (! B
" BÈ
[u. de w.].Ñ % %C .C .B œ +"'
$( (! !
+ + B$
È # #
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Teorema de Stokes
Es análogo al Teorema de Green, pero aplicable a más dimensiones.Teorema: Sea S una superficie orientada con un vector normal unitario N , limitadapor una curva cerrada simple C . Si F es un campo vectorial cuyas funcionescomponentes tienen derivadas parciales continuas en una región abierta que contienea S y a C , entonces:
( )∫ ∫∫ ⋅⋅=C
S
dSNFrotF
Sea la ecuación de una superficie .D œ 1 Bß C Wa b a) Si está orientado hacia arriba, entonces:R
p
R œ Ò 1 Bß C ß 1 Bß C ß " Óp
B Ca b a b b) Si está orientado hacia abajo, entonces:R
p
R œ Ò 1 Bß C ß 1 Bß C ß " Óp
B Ca b a b
Ejemplos
1) Sea el triángulo orientado según el plano .Si ,G #B #C D œ ' J Bß Cß D œ Ò C ß D ß B Óa b #
determine si está orientado hacia arriba.(G
p
J R
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En el plano BC
1 Bß C œ ' #B #Ca b 1 Bß C œ # 1 Bß C œ #B Ca b a b R œ Ò # ß # ß "Ó
p
<9> J œ
3 4 5` ` `
`B `C `D C D B
a bâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â#
œ 3 ! " 4 " ! 5 ! #Ca b a b a b œ 3 4 #C 5
( ( ( a b a bG ! !
$ $B
J œ "ß "ß #C † # ß # ß " .C .B
œ % #C .C .B( ( a b! !
$ $B
œ %C C .B( ˆ ‰º!
$#
$B
!
œ "# %B * 'B B .B( ˆ ‰!
$#
œ $ #B B .B( ˆ ‰!
$#
œ $B B B
$Œ º#
$ $
!
[ u. de w.]œ *
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180
2) Sea donde es la superficie del paraboloide yJ Bß Cß D œ #D 3 B 4 C 5ß W D œ % B Ca b # # #
G W BC R es la traza de en el plano y es un vector orientado hacia arriba.p
En el plano BC
1 Bß C œ % B Ca b # #
1 Bß C œ #B 1 Bß C œ #CB Ca b a b R œ Ò #B ß #C ß "Ó
p
<9> J œ
3 4 5` ` `
`B `C `D#D B C
a bâ ââ ââ ââ ââ ââ ââ ââ â#
œ 3 #C ! 4 ! # 5 " ! œ #C 3 #4 5a b a b a b Por simetría
( ( ( a b a bG ! !
# %B
J œ % #Cß # ß " † #B ß #C ß " .C .B
È #
œ % %BC %C " .C .B( ( a b! !
# %BÈ #
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œ % #BC #C C .B( ˆ ‰º!
## #
%B
!
È #
œ % #B % B # % B % B .B( Š ‹ˆ ‰ ˆ ‰ È!
## # #
œ % %B B )B B % % B .B" #
# $Œ º ( È# % $
#
! !
##
œ % % B .B##%
$( È!
##
% B œ % " B
##
#” •Š ‹
B
#œ =/8 Ê B œ # =/8 Ê .B œ # -9= .) ) ) )
B œ ! Ê œ ! B œ # Ê œ Î#) ) 1
( ( Ë ” •Š ‹G !
# #
J œ % % " .B##% B
$ #
œ "' -9= .##%
$(!
Î##
1
) )
[ u. de w.]œ ) œ %##% =/8 # ##%
$ # $Œ º) 1
)1Î#
!
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Ejercicios
Use Teorema de Stokes en À
+Ñ J œ Ð C DÑ 3 ÐB DÑ 4 ÐB CÑ 5
W À D œ " B CÈ # #
,Ñ J œ Ð C DÑ 3 ÐB DÑ 4 ÐB CÑ5
W À D œ % B C BC# # sobre el plano
-Ñ J œ BC 3 C 4 D5
W À $B %C #D œ "# en el primer octante.
Para los ejercicios considere orientado hacia arriba, es decir,Rp
R œ Ò 1 ÐBß CÑ ß 1 ÐBß CÑ ß " ÓB Cp
Solución
[ u. de w.]+Ñ % #.C .B œ #( (! !
" "BÈ #
1
[ u. de w.],Ñ % #.C .B œ )( (! !
# %BÈ #
1
[ u. de w.]-Ñ B .C .B œ )( (! !
% "#$B%
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Teorema de la Divergencia o Teorema de Gauss
Concepto de divergencia
a) Si , es decir, un campo vectorial en , entoncesJ Bß C œ Q 3 R 4a b ‘#
.3@ J œ f † J Bß Ca b a b .3@ J œ ß † ÒQß RÓ
` `
`B `Ca b ” •
.3@ J œ `Q `R
`B `Ca b
b) Si , es decir, un campo vectorial en , entoncesJ Bß Cß D œ Q 3 R 4 T 5a b ‘$
.3@ J œ f † J Bß Cß Da b a b .3@ J œ ß ß † ÒQß Rß T Ó
` ` `
`B `C `Da b ” •
.3@ J œ `Q `R `T
`B `C `Da b
Teorema de la Divergencia Sea Q una región sólida limitada por una superficie cerrada Sorientada por un vector normal unitario dirigido al exterior de Q . Si F es uncampo vectorial cuyas funciones componentes tienen derivadas parcialescontinuas en Q , entonces
( )∫∫ ∫∫∫=⋅⋅S Q
dVFdivdSNF
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Ejemplos
1) Sea la región sólida limitada por los planos coordenados y el plano yU #B #C D œ '
J œ B 3 C 4 D 5 J † R † .WW
#p
. Hallar ( (
En el plano BC
J œ B 3 C 4 D 5#
.3@ J œ " #C "a b .3@ J œ # #Ca b ( ( ( ( ( a b
WJ † R † .W œ # #C .D .C .B
p
! ! !
$ $B '#B#C
œ # #C D .C .B( ( a b º! !
$ $B '#B#C
!
œ % $ B #C BC C .C .B( ( ˆ ‰! !
$ $B#
œ % $C BC C .BBC C
# $( Œ º!
$#
# $ $B
!
œ B )B $!B $' .B#
$( Œ !
$$ #
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œ B "&B $'BB )
' $Œ º%
$ #$
!
[ u. de w.]œ'$
#
2) Sea la región sólida entre el paraboloide y el plano y sea U D œ % B C BC J Bß Cß D œ #D# # a b3 B 4 C 5#
En el plano BC
J œ #D 3 B 4 C 5#
.3@ J œ ! ! !a b .3@ J œ !a b ( ( ( ( (
WJ † R † .W œ ! .D .C .B
p
[ u. de w.]œ !
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186
3) Sea el sólido limitado por el cilindro , el plano y el plano .U B C œ % B D œ ' BC# #
J Bß Cß D œ B =/8 D 3 BC -9= D 4 / 5a b a b a b# C
En el plano BC
J œ B =/8 D 3 BC -9= D 4 / 5a b a b# C
.3@ J œ #B B !a b .3@ J œ $Ba b Por simetría
( ( ( ( (W
J † R † .W œ % $B .D .C .Bp
! ! !
# %B 'BÈ #
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En coordenadas cilíndricas
( ( ( ( (W
J † R † .W œ % $ < -9= < .D .< .p
! ! !
Î# # '< -9=1 )
) )
œ % $< -9= D .< .( ( º! !
Î# ##
'< -9=
!
1 )
) )
œ % ")< -9= $< -9= .< .( ( ˆ ‰! !
Î# ## $ #
1
) ) )
œ % '< -9= < -9= .$
%( Œ º!
Î#$ % #
#
!
1
) ) )
œ "*# -9= . %) -9= .( (! !
Î# Î##
1 1
) ) ) )
œ "*# =/8 %) ." -9= #
#) )
)º ( Œ 1 1Î#
! !
Î#
œ "*# #% =/8 #
#Œ º)
)1Î#
!
[ u. de w.]œ "*# "#1
Ejercicios
Utilice el Teorema de la Divergencia de Gauss en .À
+Ñ J œ B 3 C 4 D 5# # #
W À B œ ! à B œ + à C œ ! à C œ + à D œ !à D œ +
,Ñ J œ B 3 C 4 D 5#
W À B C œ * à D œ ! à D œ %# #
-Ñ J œ ÐBC -9=DÑ 3 ÐB C =/8DÑ 4 D 5# #
W À D œ B C à D œ %È # #
.Ñ J œ B 3 B C 4 B / 5C$ # #
W À D œ % C à D œ ! à B œ ! à B œ ' à C œ ! à C œ %
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Solución
[ u. de w.]+Ñ #B #C #D .D .C .B œ $+( ( ( a b! ! !
+ + +%
[ u. de w.],Ñ % #C .D .C .B œ #))( ( (! ! !
$ *B %È #
[ u. de w.]-Ñ % " B C .D .C .B œ%%)
"&( ( ( ˆ ‰! ! B C
# %B %# #
ÈÈ
#
# #
1
[ u. de w.].Ñ %B .D .C .B œ #$!%( ( (! ! !
' % %C#
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Autoevaluación N°1Cálculo III
Nombre: .............................................................. Carrera: ...................................... Sección: ...........
1.- Determine utilizando criterio de la integral convergencia o divergencia: ! È8œ#
_ "
8 688
2.- Obtener el intervalo de convergencia de la serie de potencia:
!a b a b8œ"
_8
8 8
8 " †
B # † #
& † 8
3 - Desarrollar en Serie de Fourier : Þ
VIR
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Pauta de Corrección
1.- Determine utilizando criterio de la integral convergencia o divergencia: ! È8œ#
_ "
8 688
0 B œ"
B 68Ba b È función continua, positiva, decreciente. Así es posible
utilizar el criterio de la integral
( (È È# #
_ ,
,Ä_
" "
B 68B B 68B.B œ .B ? œ 68B lim
.? œ .B"
B
œ.?
?lim
,Ä_ #
,( È œ ? .?lim
,Ä_ #
,( "
#
œ # ?lim,Ä_ #
,È ‚ œ # 68Blim
BÄ_ #
,È ‚ œ # 68, 68#lim
BÄ_Š ‹È È
œ # _ 68#lim
BÄ_Š ‹È
œ _
Por lo tanto la serie es divergente.! È8œ#
_ "
8 688
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2.- Obtener el intervalo de convergencia de la serie de potencia:
!a b a b8œ"
_8
8 8
8 " †
B # † #
& † 8
º º º º º ºa ba ba b a ba b a b
¸ ¸+ B # † # † & † 8 8
+ B # † # † & 8 " & 8 "œ œ œ †
B # † #
& 8 "
B # † #
& † 8
# B #8"
8
8" 8"
8"
8 8
8
8" 8" 8
8 8 8"
3 3œ † " Í "# B # # B #
& 8 " &
8lim8Ä_
¸ ¸ ¸ ¸
3 œ B # # B #
& 8 " #
8 &¸ ¸ ¸ ¸lim8Ä_
3 œ P L B # # B #
& " # #
" & &w
8Ä_
¸ ¸lim
3 œ B # B #
& # #
* "¸ ¸
Análisis de extremos
B œ B œ* &
# #
!a b a bŒ " Š ‹8œ"
_8 8
88
8 88œ"
_ "8
8
" † " †
# † #*
#
& † 8 & † 8
# # † #
!a b a bŒ "8œ"
_8 8
88
8 88œ"
_
8
88
" † " †
† #&
#
& † 8 & † 8
&
#† #
!a b a ba b "8œ"
_8 8
88
88
88œ"
_
" † " " † † #
&
#& † 8 8
"
!a b8œ"
_#8 " †
"
8 serie alterna CV
!8œ"
_ "
8 serie p =1 DV
Luego el intervalo de convergencia de la serie es - • •* "
# #ß
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3.- Función par la cual pasa por los puntos a b a b a b a b $X ß ! à !ß $ à !ß $ à $X ß !
m m" #œ œ à œ œ $ ! " ! $ "
! $X X $X ! X
Luego,
fa bÚÝÛÝÜ>
>
X $ ß $X > !
$ ß ! > $X>
X
+ œ 0 > .>"
X!
X
X( a b
+ œ $ .># >
$X X!
!
$X( Œ
+ œ $># >
$X #X!
#
!
$X’ “„
+ œ *X# *X
$X #X!
#
!
$X’ “„+ œ $!
+ œ 0 > -9= .>8 >
X8
"X
X
X( a b Œ 1
Por simetría
+ œ $ -9= .>> 8 >
X $X8 X
X2
0
3( Œ Œ 1
? œ $ .@ œ -9= .> > 8 >
X $X Œ 1
.? œ .> @ œ "
X
=/8 .>8 >
$X8
$X
Œ 1
1
+ œ $ =/8 =/8 .># > $X 8 > $X 8 > "
X X 8 $X 8 $X X8
!
$X X’ “Œ Œ Œ Œ Œ Œ „ (1 1
1 1
0
3
VIR
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+ œ =/8 .># $X 8 > "
X 8 $X X8
X( Œ Œ Œ 0
3
1
1
+ œ # $
X 8
-9=8 >
$X8
$X
8!
$XÎ ÑÐ ÓÐ ÓÐ ÓÏ Ò
Œ „1
1
1
+ œ -9=# $ $X 8 >
X 8 8 $X8
!
$XŒ Œ „1 1
1
+ œ -9= -9=") 8 $X ") 8 !
8 $X 8 $X8 # # # #
!
$X
1 1
1 1Œ Œ „
+ œ -9= -9=") 8 $X ") 8 !
8 $X 8 $X8 # # # #
!
$X
1 1
1 1Œ Œ „+ œ "
") ")
8 88 # # # #
8
1 1a b
+ œ ") " "
88 # #
8
1’ “a b
0 > œ -9=$ ") " " 8 >
# 8 $Xa b "’ “a b Œ
1
1# #8œ"
_ 8
0 > œ -9=$ $# " 8 >
# 8 $Xa b " Œ
1
1# #8œ"
_
si n es impar
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Autoevaluación N°2Cálculo III
Nombre ..............................................Sección..............
1.- Obtener À
a) si ,0 Bß Cß D 0 Bß C D œ B/ =/8 BD >+8 C DBBC $ # #a b a b a b a b
b) si 0 Bß Cß D 0 Bß Cß D œB C D
DD
# # #a b a b È
2.- Derivando implicitamente determine:
a) en `D
`C68BD BC/ œ # DCD
3.- El potencial eléctrico es en en el plano y Z Bß C @96>= BCa b a b . La distancia se mide en pies:Z Bß C œ / -9=#Ca b #B
a) Determine la razón de cambio del potencial en el punto en la Š ‹!ß%
1
dirección del vector unitario ? œ -9= 3 =/8 41 1' '
b) Obtenga la dirección y la magnitud de la máxima variación del potencial en Š ‹!ß
%
1
4.- Una bobina tiene forma de cilindro con un cono superpuesto. Si el radio del cilindroes de 4 cm. y el área total de la superficie es 100 cm . Hallar la altura del cilindro y la1 2 xaltura del cono de manera que el volumen sea mínimo. y
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Pauta de Corrección
1.- Obtener À
a) si ,0 Bß Cß D 0 Bß C D œ B/ =/8 BD >+8 C DBBC $ # #a b a b a b a b
0 Bß Cß D œ / BC/ $D=/8 BD † -9= BDBBC BC #a b a b a b
b) si 0 Bß Cß D 0 Bß Cß D œB C D
DD
# # #a b a b È
0 Bß Cß D œ
D
B C D B C D
DD
#
# # ## # #
#a b È È
0 Bß Cß D œD B C D
D B C DD
# # # #
# # # #a b a bÈ
0 Bß Cß D œ B C
D B C DD
# #
# # # #a b È
2.- Derivando implicitamente determine:
a) en: `D
`C68BD BC/ œ # DCD
" `D `D `D
D `C `C `C BD/ BC/ D C œ C CDŒ
`D "
`C D BC / " œ B/ D BCD/Œ # C C CD
`D B/ D BCD/
`Cœ
"
D BC / "
C CD
# C
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$ Z Bß C @96>= BC.- El potencial eléctrico es en en el plano y a b a b . La distancia se mide en pies:Z Bß C œ / -9=#Ca b #B
a) Determine la razón de cambio del potencial en el punto en la ˆ ‰!ß 1% dirección del vector unitario ? œ -9= 3 =/8 41 1
' '
Z Bß C œ #/ -9=#C Ê #/ -9=# œ !%
B#B # !a b Š ‹a b 1
Z Bß C œ #/ =/8#C Ê #/ =/8# œ #%
C#B # !a b Š ‹a b 1
? œ -9= 3 =/8 4 Ê ? œ 3 4' ' # #
$ "1 1 È
fZ ß œ !ß #%
Š ‹ a b)1
H Z Bß C œ Z Bß C -9= Z Bß C =/8? B Ca b a b a b) )
œ ! † # †$ "
# #
È œ "
b) Obtenga la dirección y la magnitud de la máxima variación del potencial en Š ‹!ß
%
1
Q+BH Z ß œ mfZ ß m œ # œ #% %
?#Š ‹ Š ‹ È) )
1 1
? œ œ !ß "fZ ß
%
mfZ ß m%
Š ‹Š ‹ ‘)
1
)1
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%Ñ
Z œ Z Z-3638.<9 -989
Z œ % B % C"
$1 1a b a b# #
Z œ "' B C"'
$1 1
E œ E E %6+>Þ-36Þ 6+>Þ-989#1a b
E œ ) B % "' C "'1 1 1È #
"!! œ ) B % "' C "' Î À %1 1 1 1 1È #
#& œ #B "' C %È #
! œ #B "' C #"È #
J Bß Cß œ "' B C #B "' C #""'
$a b Š ‹È- 1 1 - #
J œ "' # Ê J œ ! Ê œ ) "B B1 - - 1 a b J œ Ê J œ ! Ê œ #
"' C "'
$ $ C"' C
"' CC C
#
#
1 - 1-È È a b
J œ #B "' C #" Ê J œ ! Ê #B "' C œ #" $- -È È a b# #
ya b a b" #
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$ C
"' C1 1 È #
$C œ # "' CÈ #
*C œ % "' C# #a b
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&C œ '%#
C œ %)
&È a b y a b a b$ %
#B "' C œ #"È #
#B "' œ #"'%
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#B œ #" "#
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La altura del cilindro es cm y la altura del cono es cm" "# )
##"
& & È È
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Autoevaluación N°3Cálculo III
Nombre ..............................................Sección..............
1.- Resuelva la siguiente integral À
( (! "-9=
=/81#
#)
)
3 ) 3 )-9= . .
2.- Determine si es la región del plano formada por el ( (V
=/8B=/8C .E V
rectángulo de vértices a b a b ˆ ‰ ˆ ‰ ß ! ß ß ! ß ß ß ß1 1 1 11 1# #
$Þ- Plantear el volumen del sólido que se encuentra al interior del cilindro sobre el paraboloide y bajo el plano B C œ * B C %D œ * D œ %# # # #
4.- Calcular, en coordenadas esféricas, el volumen del sólido que queda en el interior dela esfera y el interior del cono Graficar.B C D œ "' B C œ D Þ# # # # # #
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Pauta de Corrección
1.- Resuelva la siguiente integral.
( ( ( „! "-9= !
=/8#
"-9=
=/81 1# #
# #)
)
)
)
3 ) 3 ) 3 ) )-9= . . œ -9= ."
#
œ =/8 " -9= -9= ."
#( ‘ˆ ‰!
# # #1#
) ) ) )
œ =/8 =/8 -9= ."#
!
# # #( ‘ˆ ‰1#
) ) ) )
œ =/8 =/8 -9= ."
#( ‘!
# %
1#
) ) ) )
œ " =/8 =/8
# $ & ‘„$ &
!
) )1#
œ"
"&
2. Determine si es la región del plano formada por el ( (V
=/8B=/8C .E V
rectángulo de vértices a b a b Š ‹ Š ‹ ß ! ß ß ! ß ß ß ß1 1 1 11 1
# #
( (V
=/8B =/8C .E
( ( ( (V ! !
Î#
=/8B =/8C .E œ % =/8B =/8C .C.B1 1
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œ % =/8B -9=C .B( º!
Î#
!
1 1
œ % =/8B .B(!
1
œ %-9=Bº1!
œ )
Por lo tanto, 8( (V
=/8B =/8C .E œ
Por otro lado,
( ( ( (V ! !
Î#
=/8B =/8C .E œ % =/8B =/8C .B.C1 1
3.- Coordenadas Cartesianas
Z œ % .D.C.B( ( (! !
$ *B %È #
*B C# #
%
Coordenadas Cilindricas
Z œ % < .D.<.( ( (! !
$ %1#
*<#
%
)
4.- B C D œ "'# # #
B C œ D# # #
Intersección de las superficies
#D œ "' Ê D œ ) Ê D œ „ # ## # È Coordenadas esféricas
B C D œ "' Ê œ "' Ê œ %# # # #3 3
B C œ D Ê =/8 œ -9= Ê >1 œ " Ê œ%
# # # # # # # #3 9 3 9 9 91
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Z œ ) =/8 . . .( ( (! ! !
Î# Î% %#
1 1
3 9 3 9 )
Z œ ) =/8 . .$
( ( º! !
Î# Î% $ %
!
1 1 39 9 )
Z œ =/8 . .&"#
$( (! !
Î# Î%1 1
9 9 )
Z œ -9= .&"#
$( º!
Î# Î%
!
1 1
9 )
Z œ " .&"# #
$ # È (!
Î#1
)
Z œ " &"# #
$ # È º) 1Î#
!
Z œ " ?Þ ./ @Þ#&' #
$ # È a b1
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Autoevaluación N°4Cálculo III
Nombre ..............................................Sección..............
1) Determine si el campo vectorial es conservativo, en caso de serlo obtener su función potencial. J Bß Cß D œ D/ / 3 B/ / 4 C/ / 5a b a b a b a bB C C D D B
2) Calcular el valor de la integral de línea si (9
J À
J œ / Ð C 3 B 4 BC5Ñ à Ð > Ñ œ Ð% )>Ñ 3 $5 à > − Ò ! ß " ÓD 9
3) Usar el Teorema de Green si À
( ( ( Œ G V
ÐQ .B R .CÑ œ .ER Q
B C
$ $
$ $
para encontrar el valor de la integral de línea (G
ÐB CÑ .B #BC .C
si es la frontera de la región situada entre las curvas G C œ B à C œ B#
4) Usar el Teorema de Divergencia de Gauss si S es la región sólida limitada por semicono y el plano , con D œ B C D œ %È # #
siJÐBß Cß DÑ œ BC -9=D 3 B C =/8D C 4 D5 Àa b a b# # #
( ( ( ( ( a bW U
J R .W œ .3@J .Z ß .3@J Bß Cß D œ `Q `R `T
`B `C `D
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Pauta de Corrección
1.- Determine si el campo vectorial es conservativo, en caso de serlo obtener su función potencial. J Bß Cß D œ D/ / 3 B/ / 4 C/ / 5a b a b a b a bB C C D D B
<9> J œ 3 4 5`T `R `T `Q `R `Q
`C `D `B `D `B `Ca b Œ Œ Œ
<9> J œ / / 3 / / 4 / / 5a b a b a b a bD D B B C C
<9> J œ !a b
Por lo tanto el campo vectorial es conservativo
( ( a b a b a bQ.B œ D/ / .B œ D/ B/ G Cß D "B C B C
( ( a b a b a bR.C œ B/ / .C œ B/ C/ G Bß D #C D C D
( ( a b a b a bT.D œ C/ / .D œ C/ D/ G Bß C $D B D B
Luego de , y , se tiene:a b a b a b" # $
Función potencial
0 Bß Cß D œ D/ B/ C/ Ga b B C D
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2) Calcular el valor de la integral de línea si (9
J À
J œ / Ð C 3 B 4 BC5Ñ à Ð > Ñ œ Ð% )>Ñ 3 $5 à > − ! ß "D [ ]9
B œ % )> œ )ß !ß !
.
.> [ ]9
C œ !
D œ $
J > œ Ò!ß % )> / ß !Óa b a b $
( ( a b9
œ Ò!ß % )> / ß !ÓÒ )ß !ß !Ó.>"
!
$
( ( a b9
œ ! ! ! .>"
!
( a b9
œ ! ?.@
3) Usar el Teorema de Green si À
( ( ( Œ G V
ÐQ .B R .CÑ œ .ER Q
B C
$ $
$ $
para encontrar el valor de la integral de línea
si es la frontera de la región situada entre las(G
ÐB CÑ .B #BC .C G
curvas C œ B à C œ B#
Intersección de curvas B œ B#
B B œ ! Ê B œ ! à C œ !#
Ê B œ " à C œ "
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Q œ B C Ê Q œ " C
R œ #BC Ê R œ #C B
( ( ( a bG B
" B
ÐB CÑ .B #BC .C œ #C " .C.B !
#
œ C C .B( ˆ ‰„! #
"#
B
B
œ B B B B .B( ˆ ‰!
"# % #
œ #B B B .B( ˆ ‰!
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œ B B B# " "
$ # &$ # &
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"
$!a b
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4) Usar el Teorema de Divergencia de Gauss si S es la región sólida limitada por semicono y el plano , con D œ B C D œ %È # #
siJÐBß Cß DÑ œ BC -9=D 3 B C =/8D C 4 D5 À#a b a b# #
( ( ( ( ( a bW U
J R .W œ .3@J .Z ß .3@J Bß Cß D œ `Q `R `T
`B `C `D
( ( ( ( ˆ ‰-J œ % B C " .D.C.B
! ! B C
% "'B %# #
ÈÈ
#
# #
En coordenadas cilíndricas
( ( ( ( ˆ ‰-J œ % < " <.D.<.
! ! <
% %#
1#
)
( ( ( ˆ ‰ „-J œ % < < D .<.
! !
%$
<
%1#
)
( ( ( ˆ ‰-J œ % %< %< < < .<.
! !
%$ % #
1#
)
( ( Œ „-J œ % < #< .
< <
& $!
% #& $
!
%1#
)
( ( ( („ a b- - -J œ #%(ß %) . Ê J œ #%(ß %) Ê J œ "#$ß (% ?.A
! !
1 1# #
) ) 1
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Bibliografía
Autor Título Editorial
Thomas/Finney Cálculo con Geometría Analítica Adisson-Wesley
Ayres Frank Cálculo Diferencial e Integral Mc Graw -Hill
Protter-Morrey Cálculo con Geometría Analítica Adisson-Wesley
Louis Leithold El Cálculo con Geometría Analítica Harla
Marsden Jerrold Cálculo Vectorial Adisson Wesley
Hsu Hwel Análisis de Fourier Adisson Wesley