Analisis vectorial [schaum murray r spiegel]

SERIE DE COMPENDIOS SCIIAUM

T E OR IA Y P RO BLEMAS DE

ANALISIS

VECTORIAL

y una htroducción ¡l ANALI$S TENSORIAL

MURRAY R. SPIEGEL,Ph. D. Prcfessor of Maúernatict ReñstelaerPolYkclnic Institu¡e

Ltns GürÉrPiz Dftz I¡sdierc

d¿ AMto

ANc{. GtÍú¡¡z Idgdi¿ro .t AMto L¡.@¡a¿o d CiMiü Dlplo"ado I lñtú¡¿rid

VIzqr¡z FÉlM Nuhar

qYA4q McG RAW - H IL L xÉxcq.-BocorÁ NUEVAyoRK .

. t-tsBoa . MAoRtD o guEttlos¡tngs . GUATEMALA PANAMA . saN JUAN . saNTtAGo . sÁo paulo

A U C KL AN D ' HA MB URGO! JOHA NNE S B URG O 'L O NDRE S ' MO NT RE A L NUEVADELHI . PARÍS . SAN¡FRANcISco. SINGAPUR ST, LOUIS . SIDNEY. TOKIO . IORONTO

:,

.r .

i ' 1

'

'

:

l'r ': ,

.. i;'

rLi

::

:1

. '. . ¡ : '.

.' ' ' : ;' ' ilil

A¡IALISISVECÍOFIAL Prohlbidala reproduccióntotat o parcialde 66la obra, oor cualoulerm€dlo.sin autor¡zaciónescrltadel editor DERECHOS RESERVAOOS i 1970,respectoa lá /iméra edlc¡ónen españorpor LIBROSIVCGRAW.HILL DE MÉxrCO,S. A. d€ C. V atlaoo¡fulco499.501,Fracc,lndustrialsan, Andrésatoto 53500NaucalDandé Juárez.Edo.de Méx¡co Mlembrod€ la CámaraNaclonalds ls Indusrla Edttorial,Reg.NúrA.455

lsBN 96&451-068.3 fladucido de la prlmsraedlción€n lnglésde VECÍOB ANAIYSIS Copydght@ 1967,by Mccraw-HlltBookCo., U. S. A. tsBN 0{7.000228.x

2209476543

LINSA-70

Estaobrase termlnóds

q: , ,LTqllTt1:l,l-t"r: tn'uitr.gi¿tica s, a LT: u; c. v. C á l l él3 l 3 No. N o .9 4 4 Cállé

Oélegaclón|napalapa 09310Méxlco,D. F.

F

Se t¡¡aron8 200ejsmpláres

80123467S5

",'l,io l"Y"r'".,,,,

Pr o lo g o El análisisvector;al,que se inició a mediadosdel siglo pasado,constituyehoy día una parteesencial las matenrátjcasnccesariapara matemáticos,fhicos, ingeniefosy demáscientíficosy lécnicos.Esta tidad no es casuali el análisisv€ctorialno solo constituyeuna notaciónconcisay clam par¿presentar ,cuacionesdel modelomatcrnáiicod€ lassituaciones físicasy problemasgeométricos, sinoque,además, rcioná una ayuda inefimable en la formaciónde las imágcnesmen¡alesdc los conceptosfisicos ométricos-En resrmcn,el análisisveclorialpücdeconsiderarse, sin Iugara düdas,como cl más rico uaje y forma d€l pe¡samientod€ las cicnciasflsicas. Po¡ la foma y mancrade cxposición,estelibro se pücdertilizar como tcxto en un cursodc ¿nálisis riai o €omo un m¡gnifico libro complcmentáriode cualquierotro texto. Asirdsmo, puedeser dc valor para todos los alumnosde las asignaturasde fisica, mecánica,electromagnetjsmo, aerodi,a e inEnidadde otras correspondientes a los distintoscamposde la cienciay de la tóc¡ica cn qüe nplean los métodosvecroriales. Cada capitulo comienzacxponicndoclaramentclas dcfiniciones,principiosy tcor€másp€riinent€s, ejcmplosilxstrativosy descriplivos.A cont;nuació¡¡sc presentarna colecció¡de problemastotaltc resucltosy otros suplcmentarioscon r€spucstapero sin resolver,todos ellos de progresiv¿difi. Los problemasrcsueltosaclarany amplianla teoria.evidencianlos puntosesencialcs sin los que€l diantesc sentiria conti¡uamentepoco scguro y proporciona¡ la repcticiónde los principios fun. tales tan nccesariosrara conoce¡ la materia a fondo. Asimismo.en los Droblemasresucltosse uycn nunerosasdcnrostraciones de fómrulas.Los ¡r¡merososprob)emas de teo¡crnasy dedücciones lnentariossiñ,en dc conpleto rcpasodcl tema de cada capitulo. Los temastfatados son, a grandcsrasgos,el álgebray el cálculodifcrencialc integúl de vectores, d€ la divcrgencia,del rotacionaly de¡nis t€oremasintegrales.hacicndomuch¡simas aplicacrones ¡ruy divcrsos.Atención especialmereceDlos oapítulosrclativosa las coorden¿das curvilínéas I análisistensorial,que tan cvidenlesventajasp.oporcionanen cl estudiodc ingcnie¡ía,fisicay mateEl libro conticnemucho nás m¿terial de lo usualen ¡a mayo.ia dc los primcroscürsosde cimci3 genieri¡. Con ello la obra se ba hechomás completa,constituyendoun libro de consultamuy útil la vez. catalizadordel interésrcr tc¡nasmá! elevados. El autor agradeccla colaboracióndcl seño. H€nry Haydcn en la preparacióntipográficay dibujo ligüras. El realisn¡ode las figurasrealzacl valor de la obra en la quc la crposiciónvis'ral.jueBa papcl tan R, SPTEGEL

Indicede moterios TTTORf,S Y ESCALARES.

¡

I

k6r. Esc¡lar. Al8ebra tccao.ial- ¡¡Fs del Algebr¡ vectorial. V€ctor uoiiario. yecroEs lira¡ios trirrecl¿ngulares. Vccto¡es compon€ntc!, C¡mpo €scala¡, Ca¡nDo lectorial.

I.

TTODUCTOSESCAIAR Y VECTORIAI.

r6

hod¡¡clo cacal¿Lro intono. Producto y€ctorial o exlcmo. Productoc triot s. Sistemas &

A

dFTRENCIACION

WCIORIAL

35

Düivad¿ do ú v.ctor. Curvas €n el ospacio. Conlinuidad y dc¡ivabiliüd. Fórmulas de dcri?!ión. D€rivadas p¡rciales de ull v.ctor. DifeÉncial de un voctor, c€onetría dif€r€ncia¡.

OPTRACIONES DIFERXNCIAIES: GRADmNTE, DIWRGENCIA Y ROTACIONAL..

51

Operado¡ difer€ncial vecto¡i¿l nabla. CEdie¡te, Diverg€ncia, Rotacional.Fórmulas on la! q¡¡. inlcnie¡c cl opc¡ador ¡¿bla. Invariaúa.

L\TIECRACION VECTORIAI. lnlegr8l de un i€ctor. Inüe8¡al cuwillnea. Integral de sup€¡fici€. Inlogr¿l d6 volumen.

TNTEGRALES:TEoREMA Df, LA DIVERGENCIA, TEoREMA ¡,JoPERAcIoT\Ts ! \r' INTf,GRALr,S....... DEL ROTACIONAIY OTROSTEOREMAS l0ó V -....,,..... Teorcmadc !a divcrspnciade Gáuss.Teoromádcl rot¿cion¿lde Stokés.Teoremade Gr€en ar el pl¿no. Ot¡os teorcrnasint glal$. Fofma irtcgr¿l del op€r¿dornabl¡.

f " c o o R D E N ¡ D AC SttR V rr,rN E.A. ..S... .

.................

135

Ttusfo¡trl¡ción dq coor&nad¡s. Coo¡dcnadas cuNilfrc¿s ofogon¿!€s. VectorÉ! unit¿rios en sistcdra d€ coord€¡ad¿r curvilín€¿s. El.ñentos de llnea y de volurnen. G¡adi.nte. d¡vergcncio y ¡otacio¡al. Caso3pa¡ticular€s de sistemasde coord€n.dÁs ortoAonales. Coordc¡adas cilíad¡jcas. Cm¡dcnadar €sfáica!. CoordoDad^ cilíndricas pa¡abólicas. Coord€nad¿s p¡r¿bolo¡d¿l€s. coord.nad¡s cillndrica¡ cliptic¡s. coorden¿das .lferoidales alargada!. coordenada3 csfe¡oidale acll¿tada. Coord.íadás cliGoidal€s. c,oo¡denadas biDolar6,

r

t6ó

ANAIISIS TENSOnIAL fr)€s fisica.. Espa.ios dc N dineftlones. Transfonnació¡ d€ coordenadas. Convenio de sunaalótr dc los ¡ndicca r.pctidos. Vcctorc3 contrava¡iant s y coyar¡aotes. Tensorcs contr¿va¡iartcs, coErian&s y mixtos, Delta & KroDeckcr. Tcnsor€gde orden supc¡ior, Escalarcso invarlsntes. C¿mpos te¡Boriales. T€nsores simét¡icos y hcmisi¡nétricos. Op€racior6 fu¡daÍF¡úrles con iensor€s. Matriacs. Algebra matricial. EI clomenlo dc linea y cl tensor ñétrico. T€nso¡ r€clproco. Te¡sor€s asociados. Módulo de un vector. Angulo entre dos v€ctor€s. Co6Don6Ls ftuic¡s dc un v€.tor. Slrobolos de Cbfistoffel. Iry€s dc imnsfomació¡ dc 106 sÍlrlboloc de Clristoffcl. Llncas eeodésic¿s,D€rivada covariante do un t.nsor. Simbolos y t nsons altor¡antca. Fo¡ma t€nsorial del iradiente, divergencia, rotacional y laplaciana. Dedvad¿ ab3olut{ o intrlns€ca. Tensorls rclativo y ¿b6oluto.

itDIcE. . . . .. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . 2lE

-'Vectoresy escolores \ICTOR. Es üna magnitudcüya determinaciónexigeel conocimientod€ un módulo, una direc:i¡r r :n sentido.Ejemplosde magnitud€svectorial(sson cl desplazam¡enro, la velocidad,la aceleración, l¡! 'rÉ.;3. el imoetu. ercC.áñcameñte,ün vector se representapor un segmentoorien¡¡I,: OP (Fig. i); la longitud del segmentoes el módulo del vector,la úr.J:.on de seCmento esla correspondiente del vectory Ia flechaindica a ;e.¡rdo del vecior. El puílo O s€ llama oigen o punto de aplica::tt -: P el extrcno del vector. La r€ctaen que s€ apoyael segmento E :¿.ma dirc¿rriz del vecror. lnaliticam€nte, un vector se representapor una lelra con una '.sj-r encima.por ejemploÁ en la l-ig. I. el módülo*".,.'¡¡. Á r :¡en A. Otros autores pre6erer emplear una letra negrilla, por :€:rpio A, con 10que lA o A indica su nódulo. En eslelibro emplea''=ri esta última notación.El vector OP también se pu€de esc¡ibir j¡. o bien, oP; en estecasosu nódulo es -oP, 1óF¡,o ti"n, or. ESCALAR. Es una magnitud cuya determinaciónsolo requiere.elconocimientade u¡r número r. .antidad respectode ci€rta unidad de medida de su rnisma especie.!-emplos tipicos de escalares :i¡c la longitud,la masa,el tiempo, Ia temperatura,€l tfabajo, la energia,etc., y cualquiernúmeroreal. is escalar€sse indican po! una letra de tipo ordinario. Las op€raciones con €scalaresobedecena las nl.úas reglas del álgebrí elemental. ALGEBRA Vf,CTORIAL. Las operacionesde adición o suma,difercnciao resta,multiplicación x l.rodu€todel álCebra€lsmentalentre números¡ealeso escalar€s, se puedengeneralizar,introduciendo .ié¡rrminadasdefiniciones,al álg€braentre vectorcs.Veamoslas defnicionesfundamentales. ./. Dos vectoresA y B.son equipolentessi tienenel mismo módulo, la mismadireccióne idéntico sentido.Si ademástienenel mismo origen o punto de aplicación,son ¡gral¿r.Tanto la equipolenci¡ como la jgualdadentrelos vectoresdadosla representaremos por A : B (Fig. 2). Ceofnótricamentese reconoceque dos vectoresson equipolentessi el polígonoque resultaal unir sus orígenespor una parte, y sus €xtremospor otra es un paralelogramo: 2. Dado un vector A, el vector opuesto,-A, es €l que tiene €l mismo módulo y direc¿iónp€ro senridocon(rario(Fig. lr.

VECTORESY ESCALARES

Su a o rcsultant¿de dos veotores y B cs otro vector C obtenido trashdando el orig€n d. B al ^ cxtrcmo de A y ünicndo cl odgan de A con cl cxtr. mo B (Fig. 4). Anallticam€ntes€expresaA+B : C, Observ$e quc trasladando los dos yeotorcs a ün origencomún, el veclor sümaco¡¡€spotd€a la diagonal dcl p¡relelogramo con €l orig€n en cl o¡igcn co¡nún- Por ello s€ dic¿ quc la suÍra de vcctores obedecca lz ley del paralelogrumo(eéasc c=¡i! Prob. 3). La generalizació¡ a la suña de varios vectores Fl a.{ es inmediatosin riás que iI sumandode dos €n dos succaivamenta(ve¡sa Prob. 4). 4. La dtferenciade los tectores A y B, que se reprcs€ntaan¿lÍlicamcntepor A -8, es otro vector C, t¿l que sumado a B produc€ el vector A. Dicho de otra Íranera, para rast¿r dos vectorasse sunra al vcctor minuendo el opuesto sl \'ector sustraendo,es dccir, C : A - B : A + (-B). Ls dio simplememte0. 5, El produ.to de un esc¡rlartn por un vector Á es otro veotor, h1A, de la misma direc¿ión q pcro con un módulo l,rl vecesel de A y un senlido igual u opu€stoal de A scgúnque el lar ñ sea posiLivoo negátivo.Si ,n : 0. |'¡A es el vector nulo.

LEYFS DEL ALGEBRA VECTORIAL. SeanA, E y C lras vectoresy ñ y ¿ dos escalares estascondiciones s€verifica:

,. A +B :B +A 2. A +(B +C ):(A +B )+ C 1. n(nL\: (nn)A t, (m + n'r[: nA + nA \ ó. n(A + B): nA +,ñB

Propicdadconmutativ¿dc la slma Propiedad asociativa de la swÍa Propiedadconmutstivadel productopor un cscalar Propiedad asociativ¿del producto por un €s.alar Propiedad dislributiva del producto por un escal¿r peoto de la sur¡a de escalar€s Propicdad dbtribotiva dcl producto por un csc¿l¡r pccto de la sume de vcctores

Obs€rvcs€quc no ¡parecÉn más las propiedades dcl producto de un escalar por ün v€ctor. €lcap. 2 d€finiremoslos prodüctosentr€ v€ctores. Étss lcyes p€rmiten considetar y lratar las ecr¡acior¡cavectoriales da la misma for¡na que si fucr¡l C, transponiendotérminos,A: C-B escalares(ciuacionesalgcbraicas).Por ejgmplo,si A *B: VEC¡OR UNITARIO. Es todo vector de módulo unid¿d.Si Acs un v€ctorde módulo distinto de cero,/ + 0, cl vcctoi Al,{ es un vector unitario de la mivn¿ dirección y sentidoque por el productodc A se pu€d€repr€s€nt¿r Todo vcctor ^. y que aquel mul_ vector ünit¿rio dc ls dirección s€ntido un ¡ tiplicadopo¡ sl módulo de A, que es ün escalar.Analític¿m€nt€,Pues,seesc¡ibe,A : ,l¡. VECTORf,S UNITARIOS TRINRf,CTANCULARE¡I l, j, t. Un sisten¡ tllúy importanE de vecto¡es unitarios a los son los que tienenPor dircccioncslascorresPondientes cartesi¡¡as.n €1csp¿cio, ejesda un sistemade coordenadas ¡, y, z, con scntidos los positivos de €stosejesy qüe sc llarran veclorcsunitariost, ¡, k (Fig. 5). Mientras ro sc diga lo contrario, supordremos que cl sisteña dc coordcü¿das trir¡ecBngularcs es 4alextrorsun>

VECTORESY ESCALARES , r bcchos. Ests dcnominación deriva d€l h€cho que un E:illo con ros.a a der€ch¿sgi.ando 90' d€sde O¡ a Ol, rnfz ctr cl scntido poshivo de Oz. como sc mues¡¡aen

r F!- 5.

^{

fc, di' r 0,

fA iEn

En gencral,trcs vcctoresA, B y C oon el mismo origcn t fr coplanatios, fofÍnan tn sisteÍ\ <dexlrofiuh, o a derc,.iñ si un tornillo dc roscaa derechasgirandode A a B po¡ i Éor ángulo avanz¿eD Ia di¡eccién y sentido dc C, Es s. reprcscnb cn l¡ Fig. ó. vECTOnES COMPONENTf,S. Todo v€ctor A en i :spacio (3 d¡mcnsioncs) s€ püede repres€ntar con sü ,r!-::cn en el conespondiente O de un sistema dc coorde¡d15 trirrcctangul¡rcs (Fig. 4- Sean(,{r, ,1,, ,lJ las coordeEdrs cartesiaDa3dcl punto extrEmodel veclor cuyo ori^ vectorct !!3 es O. Los vectores lri, A;, y 4k se llLma fi*pwnles rcatangulareso simplemenfeveclorcs.onponente[ ü -.{ s€gúnl¿s direcciones x, y y z, resp€ctivam¿nte,Los ,{¡, Ar y At 6c ll^r al coñponenlet rcclanguldr$ o companerit€s delvectorA segúnlas dircocioncs -l¡rB ¡,t y z respaolvamanE, -d.nent€ La sumao resultantide los tresvector€s,4¡i,,1J, y ,4sk ¿r cl vectorA. ¿stoas. tt:AiiAziiA.} E módulo de A es

Ftr. ?

a :l ^l :a/A i +A .,+A i E^ p¿trlic¡tlar,el y.ctor de posicíón o rudio recto¡ r cuyo origcn es el punto O y cuyo ertremo es cl ponlo 'r- /, z), sa cscribc cr Ia forma

f : n +r + zk ¡ lcran

FB. I I

I

{É tienede ñódulo t:

rj:

I x'¿+ f + z'.

CAMPO ESCALAR. Si en cada punto (x, y, z) de una reSiónR d€l espaciose le pu€deadociar rn escalarÉ(r,,,, z), hemosdefinidoün cdrnpoescalar$ cn R. L¿ funció¡ d dep€nde,pu¿s,d€l punto y, por ello, 6e llama /¡rción es&lat de posición, o bi¿r, luicün de punto escalat. Eje|nDt6. (r)

I¡s tcmperatnrasen cada punio int€rior o sobr€ l¡ superficiede la aierra,€o un cierto ¡nst¿nte,d€fircn un campo cscolar. (2't ó (t, t, z\ : * zr defne u¡ campo cscala..

Si un oampo cscafar cs independiente del ti€mpo, se llama pcnnaneñteo estacíoñatio, CAMPO VECTORIAL. Si e\ cadapunto (¡, /, z) de üna regiónR del espaciose l€ puedeasociar |d vectorV(x, /, z), hemosd€finidoun .anpo wctotial V e^ R. I-a firnciónV depende,pucs,del punto y, por ello, se llama fuacün vectorial de posictón, o bi.n fuhción de pmto vectoial. Ejenplo¡. (J) Las velocidadesen cada pünto (¡,),2) cn €1interior de un flüido en movimiento, en un ci€rto instante,definenun campo vectorial.

(2) V(x,y,z):

xt'í-2yz't

+ xtzL dcfincun campovectorial

del tiempo se llama perñdnenteo ettacionatio. Si un o¡mpo vcctodal es iDdependiente

VECTORESY ESCALARES

Problemas resueltos l, Dé las nugnitudcs dadas a cont¡nuac¡ón irdic¿r las de caiáctefresl¿i

€

Sot. (¿) veclorial

f¿l ¡-.áa¿

,r,

y tas de e¡ácter €torial. (l) potÉncia-

"o,u^"n (j) intensidaddel campo ñasnético (,/, distanci¿ Ut eneryíA -1f.. €s@le tu') eslár U) esc¿la¡ (r¡) es.ala¡ 0) yeclor¡al

t

gráficamentc:(¿) una füer!& de l0 n€wtonseÍ la dir€cció¡ Ét€ 30'Norte, 2. Represent¿r ' (ó) u¡a fucrza dc l5 ¡cwtons m la dirección Norle 30" Este.

Frs.{ú) Con la un¡dad d€ ñódulos indicada, los vector€spedidosaparecenrcpresentadd en las 6gura¡. 3. Un aulomóvil recorre 3 kilóñ€tros hacia el Norte y lü€go 5 kilómelros hac¡ael Nord6tc. R€ptwnta rcstos ddplazamicnto y h¿llar cl desplazmiento Gultanter (¿) gráficamente (á) analiticameoto. El vector OP o A reprcsenta€l dcspiazamiento dc I km haciael Nort€. El v€ctor PQ o B reprcs¿nla €l desplazamiento do 5 kñ El r€ctor OQ o C rcpreent¿ el d€splazamien@resultaDte o sum¿ de los vcctoresA y B,.s decir,C : A + B. Pu€de observar8ela /e/ d¿l r/¡¿¿r'!1o dc Ia süma dc vcctors. El vector r€sultantc OQ t¿mbiér s. puede obtcn¿r ttaz¡ndo l¿ di¡gonal del par¡lelosramo OPOR construido co¡ los véctores OP : A y OR (isual al vcctor PQ o R). Esra es b le! del patulelostMo & la suma do v.ciores. es d€cir, de (a) Deteminoción etdlca d¿ l¿ ¡¿r¿r¿¿r¿.Semid€ Ia lonsitud dc la diagon l cod la mi!¡na unid¿d de long¡tud dÉ I k¡n adoP t¿d¡ par¿ los olros vectons. Así sEdeduceel valor dc ?,4 km sproxitradam.nle. M€dianlc un trasport¿dor o schicircülo 8r¡duado s€ mide €f ángrJloEOQ - 61,5'. Por lo tanto, el vcctor OQ ti€no de rródulo 7,4 *m, y di.ección y s€¡tido E3tc61,5" Nortc. (b, D¿t.,ninaci¡jn anolítica de la rctultant.. En el triánsulo OPO,llamadoA, B, Ca los ¡bódulosdo los v€ctore3A, B, c, rdpectivam€nüe, el teorc¡n¿ del coseno D€ín¡t€ €scribir:

C' = At + B'-2ABcos L OPQ:tr + 5,-2<3N5)co6135. 34+ r5/td. dondeC = 7,4J(aprorim¿damenlcj,

55,2r

VECTORESY ESCALARES y -{9liándo ahora €l teo.ema de los s¿noss€ deduce l¿ dirección el s€ntido: AC ser L OQP

*n

oQP

A*n a

oPO -

I (0,70?) :. 7.41

sen L OPQ

0.285s,

LoQP : \6'35'

E¡ v€cior OQ, en consecuencia, ti€ne de módulo 7,43 km y una d¡re.ción qúe forma un ángulo con la ¡irrEión Este de (45'+ 16'35') :61"35', esto es, su direcljón y senridoquedandefin¡dospor Este 61"35, .{ 5¿¡á¡ la suma o resullante.delos siguient€sdsplazamidtosi r-lo trtros hacia el Noroestej B, 20 metros,Este 30' No¡te; C, 35 meüos hacia el Sur. (F¡g. a.) E¡ €l €xtremo de A s€ sitú¿ el oriepn de B. E¡ el extremode B se sitúa el origen de C. l¿ resultant€D seobtieneunierdoelorig€n O del v€cto¡A con el extrernode C, esd€cjr,D : A + B + C. Sigüiendoel método e¡áfico se dedu@que el vecto¡ D tiene de módulo 4,1 unidades:20,5 m y und rtF€rión y s¿nüdodefrnidopor Este60 Sur

¡fs.(d)

F¡s,(¿)

S" Draost¡ar qu€ l¿ sumade vectoressoza de ¡a propiedadconmutativa!A + B:

B + A (Fis, (r)).

OP+PQ:oQ, o bie¡, A+B:C, OR +RQ: OQ, o bien, B+A:C. Fo r lo le! o,

A-B

B

A.

¡5 Dcñostrar qu€ la suftra de v€.tores goza de Ia p¡opiedad aso€iativa: A + (B + C) : (A + B) + C.

.{

OP+PQ:OQ:(A+B), PQ+QR:PR:(B+C). Y O¡ + PR : OR : D, e,sd€cir,A +(B + C) : D. oQ + QR : oR : D, esd.¡ir, (a +B) +C : D. f¡to¡ces, A +(B + C) : (A +B) + C G€neraliza¡dolos resuli¡dos de los probleñas 5 queen la sum¿de cualquier lme¡o t ó s€al€muestra é \€ctoresla resultantccs indepcndient€del ordenen qE s. tofmn,

(-

¡,

o

6

V E C TOR E SY FS C A LA R FS

' ;:if,ili1i1i¿3H'#:,i",Xi::"¿;¡;¡-*

"" ",

. . . , F".Ha,,a¡ raruerza queesne@sario ap,ica¡ €np

ilTi:,ifii:t:1'"J,::,'?.:'#j,: fi":tTá,,i":""1T ::iJü14:1{:"{ rlll{"i;::::f ";."'#;':T"f'.:H$::i*á.,i1""'fi",l'"'1ii"3ii.l* henre. con to que s obtieneet potigono de

plgli;il"lr*.i;;

* -*, esro €s, e,v€c,o .,,.:":'j1ii":LT-th?l'r;1;:1i.":lll'¿,,,"#: ffÁ:?TffllJ,?,:::

8. Dadoslos vector€sA, B y c (Fi8. 1a),consrruirtos vectores(a) A _ B + 2C, (b\ 3c _,1.e^

_ B)

(bt

- i(2^-a) f. I

VECTORES Y ESCALARES |'

{ 'ial

IL ¡rih * aué! cn la dirccción y s¿ntido dcl Nor¡ ú¡ rclocidad, rolatirr ¡ l¡ Ti.rr¿, do 250 krvh ¿¡b r l¡ cr¡t ¡rci¡ d. un vicnto h¡cia GI O€6te con -d¿ 50 tm/ll rEl¡üva a l¡ Tirt¡ lámblh. Er -üdd.d h v!¡ocida4 dirtccitu y sc¡iido d.l i,ccto¡ ycloÉt l o¡¡c ll.i?rla cl avión si no hubicac vi.nto.

-*--

-t

/ s.á¡ w : vetocid¿dd€l vicnro a' il v. : volocid¿ddel ¿vióncon üento -¡r V! : vclocidadd.l ¡vtón rin üGDto l'I F¡ 6t&! co¡dbidcs,

¡. : v. + w, dodon¡lo v, - v. -w : v. + (-lV).Midiondo I¿ ¡oogitud dol \¡ccto! Vó se obfen 6,5 unidadesquc equivalcn¿ É.llo vicncndadospor Oest! 33' Nortl. I.

I¡do6 doo vatorEs ¡ y I dc dilint¡

F

di¡Ección, h¡llar la crptlsión dc o¡¡lquic¡ véctor r dd pla¡o &tc¡minado

¿qucllo3.

Los vrctoÉs d¡dos no ticÍcn l¿ rnis¡¡á dircctriz. Por lo rúto, &tarmiÍa! un pla¡o. S6ar cu¡lquicr vector do d¡cho quct.ng¿n los\€ctorc! r, b y r dc ll¡o y r¡8sladomos d ori¡pn com¡lnO. por el €xt¡oño X do r 'naoe¡¿ ú¡cemospartlole¡ ¡ bs diraccloüa!dc ¡ y b, Elpccti$rnrnt , forná¡do €l para., r ))''t, Llograoo ODRC. D€ l¿ 68uñ 16doduc¿ , \ . r. oD | _'L" -¡(oa):.n, 4., ,,. OC : r()B) : )ó, ondordcxcrso¡.¡cal¡tB Ahora bion, rógúnl¿ lóy do compo¡icióndel paralclognmo, OR:OD +Oc,

\{ 1tr r

¡ /-

o bi.¡L r:¡¡+,t

:)

.

á/

,

1

u

q¡¡. ca l¡ o¡pnsión Fdid¡" l,oe v*lorEs .¡¡ c ,b son 16 @nqotu tcs t ctüld.t, o v.clo.!s coopo¡rcrit ., do r s.dn l¡! dincciord &. y b rcsFclív¡rFntc' lr3cac.ldlsr€/p¡¡.dcn s.r poaitivG o D.s¡tivo3, rgúr 106ati!6 dé lo3 icclo.la. Dc l¿ const¡r¡cción gcométrica s d.spr€ndc q*.t c / son únicos pore ., b y ¡ (hdos. los vcctorEs a y h *¡ lo. ve.toret ¿n la á¿tt d€l tístema dc coord$adrs dcñnido por ¡ut dircccioDc on ol plano quc délrfiin¡n.

¡L Dddo! trqt t€torai

no copla¡¡rio! ni paralclos ¡, b y c, h¡llr¡ l¡ expresión dc cuslquie¡ v€ctor r é¡r cl 6pacio

t¡idimc¡¡don4 s.e ¡ rl vdor cu¿lsui!¡¡ d.l.spacio de origi¡ o d qoc tr¿slad.Eoslor trc6Elorrs d¡do¡ .' Dy c. Por cl .xtrlso i dc r t ¡..mo6 pl¡ir6 par¿Lto3,rca!.c¿ivamt , ¿ lo3 qu. rtct!¡min¡n . y b, b y c, y. y., forñó¡dos! cl paratclcplpodo ¡Ox,Y¡Utl. Dc h fieu¡a sc doduco,

ov = ¡(oA):r¡ ) OP : ÍOB)

on - loc):

: ),b ) on dond! ¡, /, .¿son e!.¿¡¡rcs

.

.u I

zc)

Alor¡bi.|| OR :Ov +vQ +QR -oV+OP o bicn, r -.ü +}n+ ,c-

+ OT,

Llc Ie con trucción g.or¡¿!¡icá $ d.6pr.ndequo¡ /, y t ron único6pam r, b, c, y r d,¡dos.

.-''---.-'

VECTORESY ESCAIA¡ES

Los !€ctorcs ¡.,lb y zc sollas compon útet v¿ctoiales, o v€clorts coftponcntct, de r.según I¡s dirlcciones de ¡, b y c, repecrivam€nte. Los vscto¡cs .' b y c son los w.to'* ¿n la bas¿ d.l sisttroa d. coor' denadasd€nnidopor susdirec.io.ca cn el €spacio. Coño casopadicular, si aj b y c aón los vector6suritárioi i;l y k, respectlvañcntb,rirtrtu¡lncnte p€r_ p€ndicuiares, cu¿lquierveclor. se pücdcexpresar!d€ fo¡m¡ única.cn fünción d€ li)s vcctor€sünit¡rios según

losejespo.. -. ¡i + / + zL. Asimismo,si c - 0, el e¿tor r peno¡€.eráal plano fo¡mado por ¡ y b, obtcni¿nd@ €l problema 10.

12. Demostrarqne si los vectorcs, y b no tienenlamisr a di¡€cción,la igualdadv€ctoriai¡a +/b = 0 implica q u e ¡:/:o . E-slo Supongamos que ¡ I O. Ertoncls, de ¡. + /b : O s€ d€ducc ¡¡ : /b, €s dcci. ¡: --(//¡)b. quiere d€cir que a y b ricner la misma di@ión, lo cu¿l es cont.a.io a la hipót€sis. Por consiguienle, ¡ 0, v de vb 0 se desprendeque y O. r3. Demostrar que si ¡ y b son dos veclorescuyas dir€ccionesse cortan, la igu¡ldad v@torial ¡,a "l- ),¡b : rú + /¡b i mp l i c ¡ q u €¡¡ ¡, e r' : ,r.

¡,¡+/,0:¡!¡+/:b ¡,r + /,b

(¡,¡+v¡b):0,

o bidt, (¡¡-xJ¡

+Cv'-./¡)b=0,

Po¡lo ranro,sesún elproblema 12. .t, - ¡' : 0' ,' - t: : 0. o bien, ¡, -,,'Y':!,.

14. Demorrar que si ¡, b y c no son coplanariosni paralelos,la iSualdadvecto¡i¿lx¡ +/b +zc - 0 implicá o u e .i :y :z :0 ' sc deduce ¡¡ = -)'6 + -:c, es decir Supongamosque ¡ + 0. Enlonces, de ¡s +zb + zc:o (z/x)c. Aho.¡ bien, -Olx)b - (?/¡)c es un veclor del plano qüe forma b v c (ptoblema | 0), ¡ : -<-yl¡)b e s to c s ,¡p e rl e o e € a l p l a n o debyc,l ocual escontr¿ri oal ahi pótesi sdeqi ¡€¡,bycnosorcoplana. ios, Po rl o ta n ¡o ,¡:0 -R a z o n a n dodcanál os¿manera,süponi endo/* oyl uegoz+ o,sel l e8¡ ascndascon' kadicciones,cor lo que quedaderhoslradolo pcdido 1 5 . Denosrra.que si¡, b y c son tresvectoresno coplan¿rjos¡iparalelos,la igFldad i€ctoliai tia.+ Iib + z,c = ¡ ¡ . - hb

r . c im plic a que \ ,

:Í

/,

,., z' : zt.

La ccuació¡ dada * puedeescr¡bi¡en l¡ fo¡¡na (¡r - ¡rh + O, - y)b + (2, -2). : o. segúnef probfemaf 4, ¡, - at : 0, lt - y' : O,y zt -:r - o, o bien,¡, : ¡¡, /\ : t^ 2| : z. socortancn su puntomedio f-ió\Derilorrar quelasdiagon:lisde un paralelogramo / pamlelosramo s€ el cuyas diasonales ;EC, dado S¡,a \ / \--l cort¿ncn el punto P. ComoBD :r : b,BD - b-e. EntoncesBP : ¡(D ¡), b, AP : .y(¡ + bi. Como AC : a AP I PB = AP - BP, con lo que, Aho.a bien, AB a) : (¡ + /)¡ r L! - r)b. ¡ /á +.b) - ¡(b Como las direccionesde ¿ y b se corla¡. segúnel pro_ ¡ :0, es dei r, ¡:¡-' ,/" b l c ma 1 3 ,¡+ /' l € , Por lo tanto, ¡ cs ol punto medio dc las dos diagonales.

delos ladosdc un cuadrilátero ecunpara t7 . Demorrarqueel pollgonoquercsultaal unir lospuntosmcdios rerogr¿mo. Sea,rBCD€l cuad.¡látero dadoy P, O, rRy S los puntosmediosdé suslados(Fig. ¿). c), Rs:'r(c En¡onces, PQ: '/,(¡ + b), QR =='/lb Ahorabi.n,s + b+c.l d : 0. Porlo tanto, PQ

-'

:(a - b)

-"/c

+ d)

SR

y

+ d), sP:

rL(d+ ¡).

QR : '/'(b + c) : -'/,(d,+ ¡) - PS

Como los lados opúesrosdel f'olieo¡o formado son igualesy pa.¿lelos,dicho poligono ee logr¡mo.

VECTORESY ESCALARES II

3""; g*,:'i;ii*ll1llli';:,:::

r,..,.susrcsprcrivos v 11' vectores deposic,ón. D€mos':f"i'-o: "l-"'9* : oo'.;'ürd;;;';.;i::;i;ü;HT'.:?ü[[?:Ti;

li TlTfi'T"'.:::::: ^ ^: ",.:

¡=q1 O' si, y sotosi, se verifici ¿, + ,, + ., 10.

vvervecrordeposicióndco'r6s. rJ);'iF1::1".'"'Ti:':-oj,:::':lóle-f,r:f',{{rrespecbdeo o. ve¿nos enquéco¡diion€s * *,¡i"."rá.i,iiíJi-,,ir;;,.,.;;;:i,H,i".ii,."í.#;:

=de

la. F is . ( ó ) d e d u c eq u 9 .,:i ¡tr_ D . ¿,r! + ¿rr¡ : -s e transfo¡md en 0 se -

rl€l

+ r,r, ¡¡:y

+ l !,

¡.:y

+ r,!,

con l o quc l a ccuac¡ón

a¡\ + a{, + a,r1: a(v + ri) + ¿lr + ri, * *.,, "*' a,¡,, : _ (a, + a, + a,:)r+ a¡,, + oii + O La condición n€.esaria y süficienre pa.a que ¿,! i ¿,r., ¡ + ¿r.i : 0 es

(a,+a,+a¡

-0. esdc.ir, a,+ar+a,:o. Esteresultado puedegeneralizane sin dificutrad.

o).

ü

que pasapor dospuntos7 y a cuyosvectoresde posición ¡65p€ctocrcror¡scn o {:. :l :,",;:::."".1T,1.-:1.,:ra y D,respecnvamente. S.a r el vector de posiciónde un punto ge¡éricoP de la ¡ Dc Ia ñgur¡ adjunrase deduce,

D\-AP.-

OP,o bien,s + Ap : r, dedonde Ap : r _ ¡

01 - AB : OB, o bien,a + AB : b, de do¡deAB : b_s Ahora bicn como AP y AB son colinealcs,Ap : rAB, (b ¡). po¡ lo ranr¡, ta euación ped¡da cs r:

¡ + ( b-a ),

o b i c ¡, r:(t

_ r)¡

+ rb

S.6 '¿ ec uac ' ón s c e$ ri b e e nta fo fma (¡ 4 a , /b _ r. 0, i -r t ud€s us c o€ñ.i rn L e s d e a .b y r6 | _ | ¡r_ I =O -: -.: ionstSutente.segúnet p¡oblena 18.el punro ppertcncce ¿ : re.ta qu€ une y A, jndep€ndientem€nte de ta clección "4

o

,J¡o néla¿o, Corno Ap y pB soa colin€al€s, siendo h1y ,, :!r escalaras sc verifica: nap ! oonoe se deducer

np['. o bjen, n(r-¡.)

n^ nn que se ttamafarha rinérica. rr ¡ , ,

=

VECAORESY ESCAI,ARES

20. (^44 y r, derospuDto! Ylllr !:.vc¡r9y d€pos¡ción r\..1,rt I urt. -r.1, cf' un s6tom¡dc coor&n¡d¡3 trirrecr¿nguhr .n fudctón de tos rlctorcs unit¡rid l, l, L. (ó) D.t rminar gráñc¿y am tic¿tncnt le .6¡ o rE6ülr.¡rc dc dirrc3 r€c-roÉ

(¿) ¡r =OP : oc + cB +Bp 2l + 4t + 3¡ r¡ - o Q:o D +D E + EQ- t_51 + 2r -

(bl

Q{r,-t,2)

ctófcank,t.,la rcsulratrrc d. r, y .r !. oor¡!.E 4t .!¡ ot¡soml OR dcl paralclosramo oPiO. Anan cañ¿nt¿ vtcn d^d^ ñr

¡, + r' = (¡ + aJ+ 3r)+(l-5, + 2¡):3t-l

+ Jr

quc cl r¡ódulo ,,1dd vocaorA vi€de d¡do por

A i +A J + A ¡c ca: llJ 4 ¡ 1 . Por cl t orcna dc pitágo¡as,

(oP)': (oor'+@b" er do¡deO-P€set módulod€lvecrorOp, erc. Análosü'Ent, (oO)': (oT)'+ (iO)'. Po¡Io !¿nro.(-p)' . ro,nl. + riOy - tO¿). o A, - Al + AZ I ,ri. cadeci',,r : ,/ /? + 4=/l ¿. Dadd lo3 v.c.or* rt : 3i-21 + t, r, : Z-4r-3r, (¿) r,, (á)r¡ + r' + r.. (.) 2r¡- 3q - 5r,. t.t lr"l ,r-¡r4+zrl

= v ljt 1

-

tzf +6

r,:-r+2r+2t,

b¡ll¡r lo. ñódulo3

= c.

(ó )q +.2 i .. = (3 r-2 ,+r ) + ( a- { t- 3t) + ( - t+ 2t+zr ) at- { J+ ot = 4t-i , Portot¡nto,l!+r,+."l = ll¡-+l+orl . /(8;7:&, to] = ,6 = *6=s,ec (¿) al - 3.2-&3 = 2(3t- 4 +t) 3(21-r, -!¡t) - i(-t + zJ+ z¡) = 0l-4t +21-6t +tA +9¡ +í -roJ -tor = 5¡ -2, +¡.

P o rl or¡n to l.2 r1 -3 r ,- s,"1. ¡ r - zt*¡ l - /( R;( 8; Dado. loj v.ctoE! f, : 21-l + t , h : ¡ + l¡ -2r, va6¡os oc ¡os c€.3lar€s¿. ó y . d0 múéra quc ¡.

(#

r, : -2t +l -3r, ¿rr r áf¡ r d..

= ,6=s.qz t ¡¡ : 3r * 2i * 5r, h¡[¡¡

3r+2¡+5r = ¿(21-l+r) +r0+3t-2¡) +c(-2r+r_a¡) = (2.+b-2c)t + ({ +3ó+c).,+ (¿-2ó -3.)r. Ahoú bi.n, los yétores i, L k no son ni coplanariosni par¿telos,sc$l.nel probldra 15, 2t + b-2c:3,

<+3b+c:2,

o,7.b-3.:5.

R e s o l v i c n d o c s tc s i s i . f¡¡de.cu¡ci o¡.s,s:--2,b:t,c:-1cútl oquor.:-24+ r¡-

j

Ir

El ve.\or r. d¿pcndclínealrurr¿ dG los vccrorts rL r, y r.; cn otru pal¡bras, ¡,, r,, rr y ¡., forn¡n sist€r¡a dc vcctorcs l¡r¿¿,r¿nte ¿lepeüleúe. Sin .mba¡go, tres (o renoo d. cao3cuatro v€cror€¡ son ñ.nte in¿.p.a¿ientes. ED Acncral, los v<.rorcs A, B, C, . . . sod lincaLEnto defEndbntes si .risten u cohjulto dé a 4 .,...,n o to d o s ¡¡u l o s ,d e b a¡cr¿que¿A + óB + .C + ...:0,c¡tcásocoD tr¿;osonl i

VECTORESY ESCALARES L

II

ü¡ !.rcto¡ udtario con la dircc.iór y sentido do la rGulranL dc los \€ctores r, : 2l + 4¡-5L,

úÉ

*:i;2i+3 I.

¡rs¡lt¿¡tc R : !+ 12 = {21+4J-5k) + (r +2j +3}) = 3i + 6j _ 2[.

For lo tanto, un vectorunitario .on Ia dire.ció¡ y sentidodé R es! 6, Comprob¡ción: r3. lir + tr q

+

ln l = l ¡r-o¡-z r,- /o7- tat' - , . - = t .

r.

¡ 31+ 6i - 2L

= !, *

l'l = <lf.rlf -r-lf - t.

7

6. 1

2_ 7

Ealla¡ un vetor d. orisenP(t,, r\, ,) y .xl¡emo QG,, y,, d,

ü€¡mi¡udo

lucao su módulo.

El vector dc posición de 6 1El r€ctor de posición de "P es r2 = P Q = 12- L = l ' 2 í+ y 2 l + z 2 } )- Q 1 i + r]+2,r,) = l'2' + l ra - r!)i + (2 2 -,,)h. ' 1 \t

Obervesequccat€módulono caotra cosaquela distan. cia e¡tr€ los puntosP y O. ¡.

Sobreu sólido actúa¡ trÉsfu€rzasA, B y C que,e¡ fu¡ciód dc suscomponcntes, vieneÍ dadaspor las€cuacio¡€svectorialcaA : ,1ri + AJ + A¡, B:¿,i + 4¡ + A,r, C: C,i * CJ * C"x. Hallar el módulo de b tue.z¿resült¡n¡c. B = a+B+c: Fuer¿a ¡c3u¡t¿nlr

(/4r+41+c1)t+(42+82+c')t+ (/3+8.+ca)k.

Módufodc la rcsulrante= ffi Este r€sül¡adose puedegÉncraliz¿rfácilment€al c¿so de varias fue¡z¿s. tl. Detcmi¡a¡ 1o3áogulor.! P y / quc cl v.ctor r : xi+r4 +rt y _ lorma cotr los scntidospositivosdc 1o3cjc,sdecoo¡denaal¡s, co8!a+cos"É+cos¡?=1. El triángülo O?lPde la figura ca¡.ctánguloer ,r; por lo r-t"

*"

"

d. 106tri¡ir$los ñcrán{.t ft Análogrm.nte, -

, : I v c,o s/ = ,,, "o, 1.. --. rcspetúvaÍren&, Asimisrño, r, - r : \/t't yt r or lo ur nt o ,c o 3d /.c o 3 p : .,c o s y= -i , alcdóDde se deduc.n loc valor€s dc los ¿n8ülos o, f y / pcdidos. D€ estls c¡prEiones se obti€¡¿

¡ulG OdP y OCP s! deduc¡¡.

{osia +cocr+cos'/ _xt+r'+2'

:1.

¡63 ¡¡¡¡¡6¡6¡ ¡6s z, cos f, cog ? !€ llaman los .or¿roJ dtr¿.tores del rf;¡tot OP, t,

DctcrmirA¡ rm con uúto dc €c1¡acion.sdc la rccla quc p¡sa por 106punaosP(¡¡, ¡, z) t Q(4 !6 d.

VECTORES Y FSCALARES

sL¡rqyr.106v.ctort dc Do3iclóndc Py O, tspetiv¡ment , y r .l concpondic¡rt ¡ un punto EÉnéricoX d. l¿ rectaPO. rr o bisr¡,PR = t -rr rt +PR rt+PQ o bi.tt, PQ : rr - ¡r -r} Ahor¡ bicn, PR : ¿PO,lkndo r un c6calar.Ibr lo tento, r-¡r : (!' - rJ qlrc es l¿ óc1¡!cióúyrctorial d. h r!c-ta" En coordonadasIectangularcr,co¡no r-: ¡l + , + .t,

.

. rrl + t r¡, ' t llr2 t . r2 t . . 2 ¡) - (¡rl . t 1 t ' ¿ r¡)l kl'lr-¡¡)-{¡rl = t lt ' 2 + 9 a -t )t + k 2 - z r' t rl (¡-¡r)t+(r-t)l+(' -, r)¡ ';,t Cúro l, L t Do ror coplan¡rioc¡i pardcloc(¡on lineal¡Eerti¡drp.ndi.ntes),s.gún.t t-r

- t(yr-r),

,-4

- 4\-z'\

de l¡ rcct¡, si6do , el psráúfro. Elii

r !6 obtidi.,

f-tt fc- \

,.

D¿dod cúipo g€calardefinidopo¡ {(¡, /, z) - 3¡': - .ry' + 5, haÍ¡r .l vdor d. { €o lós punüor(¿)(0,

(b,(t, -4,2r, (c)(-t, -4, -3t. = (¿) C(o,0,0) 3(o)2 (o - (o x o f + 5 . 0 -0 + 5 6l Q6,-2,21 = 3{rffl}- (1)(-2f + 5 - 6 + 8+ 5 = 19 = 3(-1f(-s) - (-¡)(-2f + 5 = --e - 8+ 5 = -12' (c) ó(-r,-z.-i) \ \

$, R€Fascnt¡r ¡¡áÍ!¡rste

lo! si5¡i.[ta3 c¡spo¡ vlctof¡sbai

(¿)v(¡,r)-.d+/r, (ó)v(ar: -¡t-r,|,

(¿)v(.r,/,r)-.l+ ,i+*,

(¿) En cad¡ F¡nto (r,r), cr(6pto d .l pun¡o (0, O dcl pl.no r/ ..tÁ dd¡ilo lm r¡dor ún¡co ¡I + nódub y'FT¡', cuya rtiÉcción Dasapor .l ori¡ar y *r.ido ¡!.j¡¡dos dc é1.P¡.d .iopli6 rnétodos3¡áfico!. obs¿rv.ñro! qua lodos lo¡ v.ctor6! ¡sociadoi o lo¡ ltuntos do l¡! c r.un¡ tt + lt a', a > 0, ti6n n d. Dodulo ¿. En ls Fig. (¿) 8p¡¡oéDrÉprclontadocl c.¡npo -a uD¡.o¡ c1¡asüótr drtcroí¡¡d¡ clcal¡. ,

VECTORESY ESCALARES

l3

t¡4 F, cste caso. c¿da v€ctor cs i$ial y opr¡csro ¿l co¡rqlpordiente de (4). En la Fig. (ó) se ¡epr$€nta .l c€mpo rEtorial en cuestión. En l¡ Fig. (¿) cl cafipo ticrF cl asp.cto d€ un flüido qüc cmerg. do üna fuénre puntu¿l ¿n O, siguiendo hs dire.c¡ones y se.¡tidd qu€ apa.€cen. Por 6sta ¡arón el @mpo sa lla¡n¡ dc tipo ¡uehte puntual. En l¡ Fig. (á) cl c¡mpo parecc fluir hacia O, por lo que sc llad. de ripo r4ntil¿¡o Dunlua,. En el espacio de t es d¡mc¡sioncs la interpfctación co(€sponale a un ffuido que eúor8e (o d$¡gua) Edialmente de ü¡1afu€nte fo sumid.ro) line¿1. El campo vecto¡ial s¿ ll¿Íu bidirEnional porque cs indcp6ndiente d€ ,. It4 Corlro et módufo dc c^da e.ctor.s \/i¡lir, todos lo5 puntos de l¿ sup.rficie esféric6:1.+ /, + z' : ¿:, con a > O, tiend el mismo vcctor d. posición €uyo módulo es, pr€cisamente,¿. Por co¡sigüiente, .l campo vectorial prqs€nta el aspccto de un fuido qu€ en€r8e de üna fülnte puntuat cn O segt¡n¡od¡s l¿s dircacioncs. Es u¡ ca¡npo d! t¡po /¿¿Ír, puntual cn tr€. dincN¡oncs.

Problemas propueEtoe

JK

E¡dc lar ÍraAnitud6 que secitan dccir cüálcsso¡ csc¿lar.sy cuálesvectoriales.(¿) Enc¡glacinéticá,(¿) intenirád d€l campocléd'ico, (c) entropfa,(d) trabqio,(¿) fucrzaccntrírus¿,(t tcmpc.atur¡,(a) por.nc¡alsravilaerio, (r) carga€lódnca,(l) esf¡¡€rzocorrante,U) frecuencia. (/) cscalar,(s) cs{:¿lar,(}) .sc¿lar,(, \€ctorial, sot (a)esc¿l¿r,(ó) vectorial,(c) esc¿lar,(d) .sc¿lar,(¿)vccto.i¿1, U) es.alar.

i

r

L_nav¡ónrccon€ 2m km haci¡ €l O.st€ y luelo lJo km Oestcó0' No.tc. Ha lr) erÁf¡.¡¡n n&, (¿) anali¡icam.rte. iof. Módülo 304,r knr, dirccciónr sentidoOesre25'17' Nortc.

lazamien¡or€sulCmt€

Hallar€l dcsplazañ¡c¡to rcsultant€de los sigui€Dtcs: A, 20 km Estc30" Sur; B, 50 krn háciael O.6to;C, { tm h¿ciael Noresk:D. l0 km Cresl.60' Sul lr¿ Módulom,9 km, dir..rión y sentidoOest¿2l'39' Sur. Dcmost¡a.sáñcrt[Ént¿ q¡¡e-{A - B) : -A

+ B.

Sob.€tln sól¡dopr¡nt¡al en P actúanlas tres fuer¿s coplanaria!qr¡€mü€$trala Fig. (¿). Hall¿. la fuerz¡ qu. .s ne.csarioaplic¡r cn P para mantcDcr€n ¡cposoal sólido dado, So¿ 323lV di&crarnrntc opuost¿a la de i 50 ¡ú. D¡do3 1o3Écton3 A, B, C y D Épr.sertadoó dr le Fig. (ó), construir ol vcctor (?) 3A - 28 - (C - D)

¡r; c + ; ( a - B + 2 D ).

t

I I

k I

l4

VECTORESY ESCALARES

31. Sea ABCDEF los v¿rlic€s de un s(ágono regular, halla. Ia result¿nte de las fu€rz¡s reprEs@Éq¿s por vecto.€sAB, AC, AD, AE y AF. S¿/. 3 AD.

38, siendoA y B dosv€ctores dcmostrar lasd.siguald¿des(¿) lA + B I= la l+ lB ¡,(ó)l

-B

l¿ tA l-

39. Demostr¿rl¿ dcsigualdadI A + B + C I S I A | + | B | + | C l.

/¡0. Dos cindades.! y A e$án siruadas üna frente a la olra en las dos o¡illas de una ria de 8 km dc archo. si€nd

velocidaddel aguade 4 krn/h- Un hoñbre cn ,.{ qui€reir a Ia ciudad C que seencuenhaa 6 kn aSuas

de, y en su misña ribe¡a. Si la €mb¿rc¡ció¡ qu€ utilüa tiene u¡a velocidad ¡¡áxiÍrz d€ l0 km/h y d.3.. I a Cen €l menor tiémpo posibl€,¿quédir€ccjóndebetorEr y cuántotiempo emplea.¡ conseSuirs-

s¿/. Deb€seguirun¿¡rayectoria rectilln€aformaddoun ánsulode 34'28'conl¿ di.€eión dc l¿ corri I h 25 min.

41. U¡ hombreque s€ dirige haciacl Sur ¿ 15 km/h observaqüe el vierto sopladel Oesto.Aum.nt¡ su a 25 krí/h y le pareceque cl vicnto sopla del Suroeste.Det€minar la v€locidaddet vi€nto asi como su d s¿/. El vionto vien€en la di.€cciónOeste56'18'None a 18 krn/h. 42. U¡ sólidode 10ONdepesopendedclcentrode unacu€rda como se obsera en la figura. Halla¡ la tensión 7 en ;a

,sol. 100N. ,t3. Simplifica. la expresión2A + B + 3C {A - 28 (24 lB C)1. So/.5A-38+C.

2

y A : (¡ +4/)a 44. S€ana y bdosveclo.es dedistintadhección + (2x+ / + l)by B : (y-, + 2)a+ l2x-3r- l)b. Hallar los valorcsd. : y d€.y d€ maneraquc 3A : 28. So l . r:2 -r:-t.

l mN

¡¡5. EntE lc vatores d€ las bas¿sde dos sistetl6 de coordemdaE s,, ¡, rr y b,, b,. b, €xist n las rcl¡cionca

¡,:2h

+ lb'-b¡,

E¡p.esar €l v@tor F : 3b, -br

¡':b'-2h+2b',

&:

+ 2b, cn fu¡ción de r,, s", s".

2ü!+|''-2b,

Sot. 2¡' + 5.' + 3¡¡.

no co!,lanarios ni paralelos, det€mi¡arsi losv€ctores ¡¡ : 2r - 3b + c, r¡ = 3¡ 4ó. Seá¡¡, b, c iresvectores + 2c,y 13: 4a - 5b + c sonlin.almente independi€nles. S¿/. Comoseve.iñcaIá r€laciónr. : 5r, - 2¡,,solrli¡e¡lmeÍteindep€ndientes. 47. Consruir el paralelográñodadossusvcctor€sdiagonalesA y B. 48. Demostrarque la rect¿que une los puntos mediosde dos lados de un triángulo es paralelaal t.rcar igual a su rnitad (paralelamedia).

49. (¿) DemostrarIa ¡gualdadvectorialO^ + OB + OC : OP + OQ + OR, siendoO un punto interio¡al 1riá¡sulo,4rC y P, 0, I los puntosmediosd€ los ladd ,rr, ¿C, C,{, resp€ctivsment€ (ó) ¿Esci€rta la igualdadsi O es Lrnpunto exterior¿l triáneuio d¿dd?Demostrarlo. So¿ SI. 50. En Ia figura adju.to, ,44C, es un'paralelog¡amoy ? y O los puntos m€diosde los ladosrCy CD, respeclivame¡te. Demostrarque ,{P y,{O dividcn a la di¿sonalt en tres partes iguales m€diante los puntos ¡ y ñ 51. Demostra¡qu.l¡s ñedianas de un triánsulo s. cort¿¡ en ür punto. que e llamá baricentro, a l/l del lado y 2/3 del vértice opuBto s8ún cu&lqu¡era de cllas. f¿. Defilostrd qü€ las bis¿c¡.iccadc 1o3áncrtlos dc u¡ triiá¡gulo s co¡td en un puDto, quc 3allá¡¡ra ilrccDtro y @ffesponde al c€¡t¡o de la circunfcrcnci¡ ioscri¡a al a¡á¡gulo.

l*

53. Dado un lriángulo cu¿lquicra,d.morrar quc exist€otro triángulo cuyos lad6 son iSualcs y paralelos a la! ñe dianasd€ aquel.

VECTORESY ESCALARES S.ú t y q los y€ctores de posición, ¡especto ale u¡ orig€n O, de los punros P y 0, respecrivamenre.por otra trE, 3.a R un punto que dividc al segr¡rentoPO on la rcl¿ción a : r. Demoslra¡ que e¡ v€€lor de posición rD -f ¡¡q ' t viÍc dado por r in&p€ñdicnbenentc del oflsen elesido. ; ;: :I- t o r¡, !., ...,I, los vectorcsalc posición!respeciode un oigen O, de las rnasaspu.tuate52,,, ah, .,., n,, .E5Í.íivamcnte. Deñostrar qu€ .l vector de posición del contro de nasas vi€ne d¿do Do¡ :l

|liat

Ls.a

ñ7r| + ñ2r2 + ,.. + nn n

rod.p.odiontemcntldel

origon elcgido.

Í.

E¡ Losvérticrs d€ un cuadril¿tcro,A(-L -2,2r, D(3,2,-l). C(t, -2,4t. y D(3, t,2), se colocan.nasa3 é l,2,3 y 4 unidades,respectivamcntc. Hallar las coordcnadasdel cenl¡o de masasde dicho sisterna. 5! ¿ _ ( 2, 0, 2) .

!f-

D.f,osuar qu€ la €cuación do un plano que pas¿ por lres punlos dados ,-1,r; C, no alineados, d€ veclofes dc ¡oslión rcsp€ctivos r, b, c resfrecto de uD oricpn o, viene dada por

¡

p.+,b+pc

rl. l l i .

l. _ L . l* , ] * l^ -l

) \

L i\ + :

¡¡¡do ,1, tr,p esqlarescualesquicra.Comprobarquedicha€.uaciónesindependi.nlcd€l o¡ican-elegido. /

, '

i¡'Lo.v€ctorcsal€posicióndelospuntosPyOso¡,r.spcctivameóle,r,r-2i ]j3l+k,y¡,:4'i:lj+2k. so/. 2l-ól +¡k,7.' Derermina¡ €l v€ctorPQ en funcióndei, j, k y hallarsu módulo.

h"i"*'

f

B = -2t + 4j 3k, C: i + 2J-k, hall¡r Seo¿o¡.::¡-l-4k, {') 2A - E + 3c, (ó) | A + B + C l, (c) I 3A - 28 + 4c l, (d) un vecto¡unilarioconla e.u (.)/lss = 19,9t ,^la d€f3A-28+4c. Sor. (¿)lti-sL lbt \./ü

28+4C t9.95

F,:2i + 3j-5k' F 1sobrc un sólidopuntualen P actúanlasfuerz¿s -5i + J + lk, F,: i -2j + 4k, r. : 4t - 3i - 2k, riedidasen n *tons (N). Hallar (¿) la fuerza¡esultante,(¿)el ¡nódulode dicharesultante. sol (a) 2t- L Q\2,uN. si losvector€s dadossono no lin€almente ¡ndependiontes determinar ¡- En cadaunode losdoscasossigui€ntos, : : : = k'C - 3i + 2i-k. i-4I'C 4i + 3j k'(ó) A t-3i + 2I'B 2l-4j 1d)A : 2l +l-3lqB Sor. (¿) line¡hut dcpendientls,(ú) li¡€alEnre indep€nd¡entes. C- Demost.ar qu€ cada cuatro vectorescn ües dim€nsionesd€b€nser linealmentcd€p€ddi€nl€s. g- Dernosirarquela condicrón¡ec$aria y suficientepara¡¡uclo3v€ctoresA : ,41i+ /¡l _l_ ,'1.k,B : 4i + ¿,i + ,¡k,

lt

si.

li, !",1"\

esquecl dererm inanr€ independieñres c:c¡l+CJ+csk, sea¡li¡ealmentc lál i, i" | '*al't.t"cccero. que106iEctoresA :3i +t-2k, B: -l + 3¡ + 4¡, C:4¡ - 2i- 6¡ puedens$loslados ar (¿) Democt¡ar dedichotriángulo sol.2.45;5't4t6.12. de un triárliulo,(á) HaUa.las longiaudddelas&€dianas G, Dado el cámpoescalar4Q,t, 4 - 4rz' + 1ry2-z' s¿r. (¿)36,(ó) ll. f-

+ 2, hallar(a) d(1,-1,-2),(á) /(0, -3, l).

Repre¡cntargráñcanentelos cañpos vectorialesdefinidospo.

=/l -rj , ( . ) v ( r . t , , ). (¿)v(!.r );r¡ -'J . (ó)v (t.r)

##3

Capítulo Productosescqlqry vectoriol PRODUCTO ESCALAR O INTERNO. Dados dos vec¡oresA y B, sr¡ p.oducto o int€rno, A' B, s€ definecomo el productode süsmódulos por el cosenodel ángulo 6 que Por lo lanto. L,B - AB cÁrs9, OS0=" Obsérvcscque A B es un escalar,un número,y no ün v€clor. Las propiedadesdel produclo escalarson: ¡. A.B = B.A 2, A.(B+C) - A.B + A.C 3. a{A B) - (nA) B - A (ng).

Propiedadconmutativa P¡opiedáddislribü1ivadel productocscal¿r ¡espcctode la suma. sie¡Jo ,, un cscalar

(A'B)'

4. t.l = j.j =L.t - 1, 1., = J,¡ = l.i =0 y B = 8ri + AJ + 8.t, S.DadosA = 4t+lei+4t AA

= Ag, + A,B2+ 483

A'A

=a 2 =a 2 +Á '+a 2

B 'B

= a ' - n i+ a i+ a i

sev€rifica,

ó. Si A'B : 0 y ninguno de los vectoreses nulo, ambosson perpendicula¡es. PRODUCTO VECTORIAL O EXTERNO. Dados los vectoresA y B, su producto e,(tcrnoes otro vector C: A x B. El rnódulo de A X B es el produclo de módulos por el seno ánguloI que forman. La direccióDdc C - A ),8 es la p€rpendicularal plano que fo¡man A y B, y sentidoes tal que A, B! y C fornun un triedro a derechas.Por tanto, 'o A xB -,.{3sen09, 0303n siendou un vector unitario que indica la direc.ión y sentidodel prodüclo A x B. Si A: si A ti€nela mismadirecciónqr.¡eB, sen0 0, co¡ lo que A x B 0. -

B, o

Las propi€dadesdel producto vectorialson:

.1.axa - -BxÁ 2. Ax (B +c) - AxB + Axc 3. n(AxB) = ('A)xB 4, i x l = j x j

= k rk

(No goza de l¿ pfopiedad oonmutatila.) P ropi edaddi stri bul i va del product o vcct or ial respectode l ¿ suma = Ar (DB) = (A x B )n , si endo,) uD cscal ar.

.0,

5. D a d o s A = l 1 i + Á; + ,\k

l xj = k, r

j xk-i ,

k:i = j

B - B i i 1B ,i + 4k, l6

s¿ \,cfi ri c¡.

PRODUCTOSESCALAR Y VECTORIAI

itk a1 A2 A 3

=

A tB

L7

B1 82 B. ']_

El roódülode A x B repr€senta el ár€adel páralelogramode lado A y B. Í A x B - 0, y nirguno de los vecloreses nulo. ambostjenenia misma di¡ección.

IIODUCTOS TRIPLES. Por medio dc productos escalaresy vectorialesde tres vcctores, L 3 c. s€ püedenformar p¡oductosde la forma (A-B)C, A'(B x C) y A x(B x c). se vcrific¡¡ |¡qicdades siguientes:

: '{r. B) c + A( 8 . C) de un paraleleplpedo : -r.(B x C): B'(C x A): C. (A x B): volumen dearistas A, By C .Dn signopositivoo negativosegúnquc A,By C formen un triedro á dereohaso ¿ izquierdas. s A :,11¡+,r'i +,{g|(,B:4i +4l +tL y c : qi + crj + c¡' A1 A 2 A 3

A .(B xc)

=

81

82

B.

c! c, c. (El producto vcctorial no goza dc la propieded asoc¡lriva.)

:- ,^x (Bxc) I (Ax B) xc ! -4' (Bxc) = (A.c)B-(A.B)c 'i-{xB)xC = (A.c)B - (B.c)A

q producto A . (B x C) se l1¿Í]á tt¡ple ptoducto escalar y se rep¡csenta por [AnCl: El producto ,l x C) recibeel nombre de liple prcrlLtto vectoríal. ¡¡ el producto A .(B x c) se püeden omiti¡ los paréDtesisy esc.ibi¡ A 'B x c (Problema 4l). ábargo, €stono se puedehacaren el producto A x (B X C) (véanselos Problcmas29 y 47).

S¡STEMAS DE VECTORES RECIPROCOS. Dos sistemasde vectores¡,b,c ¡' ¡' C .¡

-

a ' .c

l b'b'= c ' c' = = b ' . a = b ' .c = c' . a = c' .b

y ¡',b',c'

= 0

l¿ condición¡eccssriay suficie¡tepara que los sisteúasde vecloresa,b,c y ¡',b',c', ,

a bvc

t 0.

b /c i. bx.

c va

(problernas 53 y 54)

r,": -

; f .

i, l ¡

sc

i" 1 -=

-J

seanrecl.

':-=-

IE

?RODUCITOS ESCALAR Y VECIORIAL

Problema¡ resueltoe PRODUCTO ESCA¡JAR l. Deftostr¿rqueA.B : B. A. A.B:/Acos0:A/co€0:B'A Por consiguiente,et productoos.al¡r gozade Ia propiédadconmut¡tiva. 2, Dcmosúarqw A.b cs igual ¡ l¡ proyección dc A sobrBB, siendob el véctorur¡¡taiocn Ia di¡Ección de B. v senr¡do Co¡üo indic¿ la fisur¿, los plaros pcrpe¡diq¡lares ¿ B trazado3por €l origa y cl ¿lt¡€mo de A corr¿n a aquA Gnbs puntosG y ¡I, ¡.sp€ctivañ€nt€,po¡ lo tanto, PfoyeccióndcAsobroB:Cn:EF-Ac¡60:A.b quoA.(B + C):A'B 3. DemostrAr

+A.C,

-i

i |

'r---.-á

54¿ ¡ el v.4tor ünirario en la dir€c¡ión y s.ntido de A, Proye4ciónde (B + C) sobreA : proy€cciónd€ B sobr€A + proy€.ciónde C aobreA

(B +C ).r :B r + C.¡ Multiplicado por ,,1,

(B + c) ,!¡ : B ' ,,{¡+ c . ,{s (E +C ).A:B,A + C,A Teniendo m cü.nl¡

!¡ propiedaal conrhubriva dcl prodr¡cto

A .(B + C) : A , B + A . C luego .l produclo esc¿lar goza dc la propicdad disiributiv8 f€sp€cto de la suma.

qw (A + B),(C + D) A.C + A.D + B-C + B.D. 4. I}mostr¿r = A . C+ A . D + B C + B ' Dolproblena 3,(A + B ). (c + D) : A . (c + D)+ 8 . (c + D) Luogoel productoe!.ala¡ sozad€ la propiedadosdel ágebm ordin.ria.

€s.alarcs 5. Halla¡los prodr¡ctos siguié¡rbs:

r'l r.r = l rl l rl (ó ) l .I

j

ll

L

o ' = ( l) { r ) ( 1-) 1 -. c o s 90- - (l )(r)(0) . 0

r.l r.l . l.l lll

. )o m' = (r)(r)(o

= -3 (d) l.{2i-3J+I) =- "2j l-3J.J +l.lt = 0-3+0 (¿) (2t-l).{3i+I) = 2l . (3r+ r.)- ,. (31+ r) = €l . t + 2t. | - 3l ' I - ,' t = 6 +0-0-0

l

l,

,6.)i \-,/

q\. B = 8,t + 4i + 4k, deinostra. ^.R +,t.[).(ali +a2j+83¡) A,B = (¡11+,42j

A = A,r+ A,t + A¡

y

= 6

= A$r+ A2B2+Az

+ 8J +a3[) + 4J.(¡1r+8+4r¡) +,a!t.(8rr+¡,,+S3k) ,,{1t.(alt Arqrt + 1B'.r +,\%r.r + a,BJ-t + a2B2r,,+ 4831.¡ + A.B!r't + 4B2r'.t + ajB.r'

PRODUCTOSESCALARY VECTORIAL

l9

= A&r+ /t282+ a.B. sonnulos, r F i. i = I' j : k. k - I y todoslosdcñft produclotcsc¡lar€s : \/-A'J,+,+,1'. +,{t, + .r'r, ricooctr¿rq¡¡,r : y'T.r A ' A (,1)(,1, co3a' = A'. l"tryD, A - yti A. Ta.nbién, A.A : (/tl +,rJ + A*),(Ai + )tl + I,tt oA:,lri

!-

'

ri-''>

-,

¡

: (A)(a') + (A')(A'\+ (A)(A,) Ai + ,ti + s" -

!

It

Foblefna 6, ton¡ndo B - A.

lo-¡ano, ; : VT .r - \/4:+

/

elrtódulo d6 A. AlsünasvÉcesA.A 36 rcp$s€nt¿por A..

4+4es

¿ -

¿'6

a : !i l2r-L E rhr et ánsutofoÍn¡do po¡ losv€ctorcs

y a-6i

A" - ü

'1

-tt-?'

AR.60, ,t - \/6 +@¡ eÚ : t, B - ^//(6r'+ (-3r' + (21:1 ^.8: : (2)(O+ e)(-3) + (-r)(2) : 12- 6 - 2 = 4 ^.8

Porror¿nto, co!,- +P : óOr: f

= o,uos. * a.

t s¡ A . B : 0 y ,1 y ¡ so¡ dbtintos dc cÉro,demolr¿¡ qu. A cap€rlendiculara B. Si A.B :,{acor t

-

sir 0, mtonccscos0 - 0, osóa,0:9O'. Reclprocament€,

-

90', A B:0.

a-Ha.ll¡r.lv¡lord.¿dcform¡q'¡cA:2i+d+ry8-41-2¡-2¡s€¡np.rpcrdicul¡¡t6.

l'

Del probleñ¡ 9, A y B ton F¡p€o.liorlat6 s¡ A 'B = 0. (2)(4) + (d) (-2) + (I)(-2) 8Por lo t¡Dto, A'B -

t l*

quc 106itaiolü A:3i-2r+k' tt. DÉúostra¡

2o-2

B:l-3r+5k'

- o,.lG do'tdÉ,¿ - t.

C:2i+¡-41

tonn¿nün triángr¡lo

Dcmoatremo.,on prioar lüg¡r, quo los v.clor$ for¡Bn triángülo. ¿

B'D

(ó)

(¿)

ls

i4Fur'¡

De las ngr¡ras66déduc¿queello ocü.re si

\ i\

i. ;1

t.- ¿ L

(¿) uro.te los r€ctorcs, por cjdnplo (3), €s la ¡¿sultá¡t dc los otros dos (1) y (2). (ó) I¡ Esult¡rl. dc los vcctorB (l) + (2) + (1) ér cl vector nulo. Co¡no i¡di@ lás figurás, pued. ocuri¡ quc doc v€ctorB tcnlM cl €sctmo cotntrn, o bien, quc ninSuno de los extrE nos co¡ricid¿n' Er ¡u€st.o ca¡o 6 t¡ivial qu. A : b I c y, por lo tanto, los v.ctore, forfná¡ triá¡8¡tlo.

.J, ] I

coño A . B = (3)(l) + (-2) (-3) + (r) (s) : 14, A . C : (3)(2)+ (-2) (l) + (r) (--4) : 0, y B'c:(l)(2)+(-3)(l)+(t(--4':-2l,scd.duccqueAvcsoÍperPendicular$vqueelkiánsulo. es r€cEnsuro.

--'-'-'-PRODUCTOSESCAIAR Y VECTORIAL

quc forma el vecrorA : 3i - ó¡ + 2k con los ejascoo¡denados, _rá1, Hallar los ánsulos Soano, É, / los ángülosquefo¡rñ¿nA con los somicj€spositivos¡, /, r€sp€crivañenrc. ", A t: (A)(t) cosa = ",/ a¡ 11-e¡ 1 1z¡ cosa : 7 coso A.¡ :(3¡_6i +?k).i : 3i.l_ój.l * 2k.t : 3 Porlo t¿nlo,cosd : 3/7 : 0,4286, d. dond€a : 64,ó.raproxim¿damente, Análoraft€nt€, cosÉ = -617, P : I49",de donde.cosy : 217,r = 73,4o. Los cos.nosd. d, B,y ,,3¿ llatuar,.osenosdircctotetde A (problerna27, CapíauloI). J 13. Halfarla f'rorcccióndelilctorA:

t-2i

deB:41-4i + k sesúnla di¡ección

Elv€ctor udr¡'ioenradif.cción dcBe b: r sertido

f

:

+ jk,

f, r- f, ; + !*.

iaffi-

proyección dca sobnelvécror B : A. b : (t- A + D. (+t - +t + +k)

- or(f)+t-a(-*) nor(l) :'r1 :''" ,,/4. o"¡n**,

.l t€or€rhaitel cosenoile un t¡iánsulo €uarqu¡e¡.

En la Fis. (¿) inferior, B+C-/{, Lu.go

c. c:

o bi€n, C : A-8, (A-B).(A-B): A.A + B B-2A.B cr:

Ar + B. _L1Bcos0.

AU Ftg.(d)

.)rs-Dedlostrar

Fl¿.

que las diiasonalas do un rombo son perpendicula¡G.

oQ...OP+PQ-A+B oR+RP -OP, obie¡, B+RP:A, Luoso oQ-RP:

(Fis. (¿).)

dedonde, RP:A-B

(A + B) (A-B):,{:-a!:o.

yaqueA:B.

Po¡ consieuie¡t!, Oq ¡s pcrpendicula¡a Rp. -/ 16. Hall¡r el vector u¡ritario perp€ndicular at plano formado por A : 2i - 6j - 3k y B : _4i + 3j - k. Se¡ C = .rl + c't J- cak un vector pe.pendicula.&l pl¡no form¡do por A y B. El vec(or C €s p€rpend i c u l a ra A y a B . L u .e o ,

I ¡

tf l'

r

¡41

ü.&.

C'A 2c,-6c, e .B:4.¡+ 3.r-

3.¡ : 0, o s€a, (1) 2¿,- 6., : 3., c,:0,

o sca, (?) 4c, + 3c¿:

cj

PRODUCTOSESCALARY VECTORIAL ffi¡do.l ú4r

.r ¿, = _ !" ; , d i.ctor un¡lario en la di¡ec.ión y s€ntidodc C es sircma romado por (.¿)y (2): q =

c c

. =

""rlr - |; - rr.

¿3(;r-á,+¡)

."'trlf.r-{r+rrf)

&.t l¡abaiorBlir¿do po.la fuer¿aF:2i (Fis.(¿),) f: r:?i-5r.

1 (; ¡ -; l

+ ; r).

I

. ¡ ¿J ,f.

un sólidopuntuala lo larsodelvcctor -l - k al desplazar

Tabajo Ealizado = (nódülo de la fuez¡ en la dirección y sentido dol movimiento) (d.splazami&to) :(rc o s ,)(/)= F ¡

: (2i- j-k). (3 r + 2 j_ 5 r) - 6 '2 + 5 : 9. 't,')

E lbr la ocu¡cióndelpla¡o p¿rpendícülar al r€ctorA : 2l + 3j + 6k y qucpssapo¡ el extntfio det v€ctor f: i + 5¡+ lk, (Fig,(r),) Sear el vector d€ posición del punto P, y O cl ertrerho de Bp€rDondicula¡. ComoPQ: B-..s A,(B-r).A 0, o s.¿,r.A - B.A cs ta ecuación vectorial ¡H plano buscado.En coord€¡adas rc.tangula.es,

(ri+/,+zk) (2¡+3j+6k) : (i + 5 J+ 3 k )-(2 i+ 3 j + 6 k ) 2x +3r +62: O)(2)+(5)(3)+ (3)(6): 35 En cl probleña 18, hall¿r la distancia del o.iepn ¿l plano. La dista¡cja del oris€n al pla¡o os isual a la proyecaión de B sobre A. El v€ctor unit¡rio er Ia dir€ccióny senridoarcAes¡

=

A = 2i ' 3i | 6k : 2 + ^ )= Jo¡, *.ir, |-i 1:ia;-t. 'rd"

proyección Lueso, dcBsobreA- B .¡ : (i+5j +3 tt\'(2111*3171+617 l - t(2/7)+ 5i3/?)+3(ófD:5. SicndoA un vcctor cualqui€m,demostrarque A : (A Di + (A j)l + (A . k)(. Como A:,4¡i *,4,i * A,k, A i= A;.1+ Ai.í+ A,y.i: y A.¡:r! A¡áloga¡rert€,A l:,r¡ Lueso, A .= lJ + ,lJ + ,,{,1: (A , i)t l- (A 'u + (A 'k)k.

Al

...--\

\

22

PRODUCTOSESCALAR Y VECTORIAL

PRODUCTO YECIORIAL 21, f,)cñostra¡qüe A x B:

-B

x A,

Flc.(ó)

E l mó d u l o d e Ax B:C e s ,4A sen,ysudi recci ónysenri dosonrai esqueA ,B yC fo¡manu nr ied¡ a derechas(Fig. (a)). Elmódulo deB x A: a izquierdas(Fie. (,t)).

Dest4

sendy su di¡€ccióny sentidoson talesque B, A y D forman un triedn

Por lo tanto D tiene el mismo modulo y dirección que C p€¡o 6 de scotido contrario, es d€ci¡, C - -f) o s e a ,A x B :-Bx A. El produclo vectorialno goza de la propiedadconmutativa. ,/r2. Sicndo A x B - 0 y A y B no rulos, d€mostrarque A es paral€loa B. S i A x B :á 8 s e o 0 u :0 , sc ti erc, sn 0 :0 y 0:0' ó 180' . . r 23 . D e mo s traqr u e lA xB

1+

AxBl+ A' B::

A .B i ¡:l A '

B ¡.

,4, s€nÚu ' + I ,44cosÚ : ,a' t' :

l A :" i B r¡

/l¡1. Hallar los produclosvectorialessiguientesl ',.

= *. (ó ) j x r, = ¡

(f) j xj

,l c ) ¡x j

(.) rtt = J (d ) k x j = -j x l re .¡!j -0

= -l

0 (s) rx¡' r= -rxi - -j : 6l (¡) (2j )x(3h) 6j xl = 6J (i ) (3i )x(-21) = -6l xk I

2l l i -31{,

,-/2s.Demorrar que A r (B+c) : A x B +A x c en aBy támbiéncuando r \-- ..lcasoeóqueAesperpe¡dicülar lo seaa C.

Como A es perpendicularaB, A x B es un vector perlendicular al plano fo.mado por A y B y cuyo módulo es,jA sen 90' : -lr, o s€a,el mód¡lo de ,{8. Estoequilale e mulriplic¿rel lsror B po¡ I y girar el vcclór resulranteu¡1¡¡8ulo de 90' hasta la posicióÍ que se indic¡ en l¿ ñgura. Análos¡menle,A t C es el vector que se obtiene mL¡lliplicandoC pof A y gi.ar el vcctor rcsult¿¡te un ángulo d€ 90' has¡r l¿ polición indrcadaen la figura.

-2t-3[

--5r

PRODUCTOS ESCALAR Y VECTORIAL

2t

úisa forma, A x (B + C) esel vccto¡ qr¡. s¿ oblicne al ñutr¡plicar B+CporAygir¿rcl Éhante un ángulodc 90ohast¿la posiciónind¡mdaen ta figu.a. CE A x (B + C) es la diagon¡l del p¡¡alelosrsmo cuyos la¡os sonA ^B yA C . se deducó, ¡.C:O:AxB+AxC, M

ú

qw A x (B+c) :A x B +A x c enel

brɡr h -

c¡ qüe A, B y C no !€an coplaDários ni para-

!ú¡l

D6.omporiendo B en sw compon€ntes,perpendicuhaA, Br, y paralclo¿ A, B , seticns,A: Br * 4,, | ¡-ñ-rdo, alángulofofli¿doporA y B,rl s€nr. k lo tanto, el módl¡lo de A x Br €s ,,{, sen¿,-a es decir, a¡r q!¿ cl de A x B. lá dircc.ió. y scntidodc A x B, E Eñbién la mbm¡s qu6 l¿s de A . B, Por consiti¡ic,AxBr:AxB. A¡á:logar¡rente, 3i se descompo¡é C e¡ los v€ctorcs lc y Cr paral:lo y F¡pendicul¿r, r€sp€c{iv¡ñcn@, a A, robt iene, A C r:A C, (B r+ c!) + (B r,+ cr,) sededK €, T anbien, c omo E + c = B¡+ B l + c ,+ c Í (8 1 + ax c t) = A x(R + C )' A¡or¿ bi¿n Br y Cr son vecior€s perp€ndiculares á A y, scaún el problema 25, Á x (B r + Cr) = A xB r + ^xC 1 = A xB + A xc ^ x (B + C ) $É cxprcs¡ qr¡€ d p¡odüc[o r€lorial goz¡ do la pmpidad disr¡ibutiva .6Fcro dc l¡ surha. Muhipt¡cando p or - l, y & niendo e n c u e n l a c l p ro b l c ma 2 l ,(B+ C )xA :B xA + C rA .Obsé.ve3€queenel prodl¡cto ve€torial h¿y quc te¡€r on cuent¿ €l ord.n d€ loq facto¡€s. Las propi€dad€susu¿lesdel átgebras€pueden ¿plicar ú¡icar¡dnie 3i s€ toman los vectores e¡ el orde¡ élablecido. I

v- Si.ndo A =^1i +A2i+hk AxB

: -

I

queAx B = 9 = Bl + B.l I R¡, d€mostrar

( r 1 i + /2 1 + ,4 t) x (Arl + A rJ + B 3 t) l1tx(A1t+A2l+r3t) AlB¡xl + qB.lxl

+ ,lrt x (8it + Brj I A3t) + ,la¡ x (Arl + B2j + 8oh)

+ Al¿€Lxr+ A2Bút1+ A28dxi + A28.txÍ + &B\kxt + qB'ttx! + A!¡€txt tj ¡

= (4,4 - A.B,)t + (h4-

Ai.)t

+ UrB, - A2R!)k8t

't.

B = r + 4J- 4, hallar(d) A x B, (¿)BxA, (c)(A+B) x (A-B). a. ll r l | /t. ) l' (21-31:*t (r+4j-2t) = l2 -3 -l ^ | 4-2

Dsdosa-2t-3J-l (o\ a/8.

A2 B.

y

= . Ii -:l =,oi +sr+11r ,li :il -ll 'l-i -

'if: ,

(2¡- 3t - r) x (l + aJ- 2¡) = 2rx 0 + 4j - 3¡) - 3Jx (t + 4j - 2r) - ¡ x (t + {., 2¡) = 2¡xl + Etxt - 4ix¡ 3Jxt - r2j xf + 6jxI - ¡xr - 4tx j + ztx r = 0 + 8¡ + 4' + 3r_ 0 +61_J + 4i +0 = 10t+3J+l1l

A

PRODUCTOS ESCATáR Y VECTOR'^¿

., ¡ I 4

= (¿)BxA= (r+{¡-2Dx,rr-rr-r, ll

-21

-,ll :?l' ' - ,l-1-11

j.-ll . -ror-o-rr:.

Conpa¡¿n.tooon (¿), A x ! -B x A. ()¡6¿rr€r. qu. ato rquiy¡¡! ¿l @Éd¡ jsuirnt t Si d&EiDantc sc Ffmot¡¡.¡ür d -doc Í!.¡r (fiIaso coluDD.t), .l dltct!¡üim!! canbi¡ d.-tf¡no.

(.) A+r : (21-3t:t) + (l+4J-2t) : 3t +J-31 A-l

= (21-3t-t)-(t+{l-2¡)

= I -lj +¡ h¡c8o (A+B)x(A-B) = (31+J-3Dx(r-1+r) . -l

-'l-z

I

-31

-lS

rl-¡lr

tl ¡t

.

r A xA -

rl* r l3 It

A :l [-r+2 t,

(.)

=l'. j, ^'"

B -2 ! + ¡-t ,

y

It

I

(a). aplicendo

h ¡I ¡r (a ) (A x B )x C, (¿ ) a x ( B x

C= i-X + rt ,

t 2

= -l+ ? r+ 5 ¡. ,¡

I

t¡!¡o (Axa)xc

= -201 6, - 24. -

. a-A rE -rtxl !-0

A xE + B x^-A rl

= -2(r0t+¡r+rlD = -20r-8r-2r¡, t¡i

I

-!l

: a x (a -B )+ B x (a -a )

(A+a) x (Á-l)

Jp.

-3

(-t+tl+!t) x0-2t+2r) : -

r

(ó) E xC - l2 r -1 ' \t -2 2

- 0l-ü

-5h

= 2+r +1t- r l.

I

= -5r-5¡.

l,

IrE¡o AXOxc) = (U-l+t)x(-5r-5D

= l8

r -¡

zl=

l5l+tiJ-l!ü.

0-5-5

Ad pu.* (A x B),x C # A x (E x C} rr.in.lral¡ !.rf clib¡ .mbigi¡od¡d...

¡ar¡¡ir¡d d. t¡dülrr loraor..L c¡ A x¡

/ 30. Dqr¡o.t¡¡¡ qu. cl áf!¡ dr un pñ¡lolotrá¡ro dc tadosA

y¡..

lA x¡1.

¡l¡a r¡¡ p.nlclolr.Do

- !E*L-

-: t A ls ,

iB ¡

s,$¡

lA )''E-| '

i! qpc d ¡ñ d.l trl¡ryüb qr Obúrti h¡lorAy t..ilml ¡,/. I A x I l.

h.A-+'¡

tinc po.

¡t¡¡l¡r .l ¡n &¡ triÁ¡&doq¡ro. v¿rtic.!lon 106Fudor 4t, f, 4, 4¡¿ -t¡¡,

4f, ¿ f¡:,

rQ -(2- r)r + (-t - 3),+ (r:-2)L- r -41- L Ia' (-¡ - l)¡ + (2- 3)l'+ (3¡:2)I - l¡-l +r -

PRODUCTOSESCALAR Y VECTORIAL

E bA

For*Eá 3,O, ui¡¡$¡lo = ¡lPe i PRI

jl(i-ar-r)'

ij -

!l

l-4-r -2

briÉ.

-t

l

25 {,,}

(-2 r-j + k )l

| " : l - 5 r *r - e kt = r .,G# ;1 ¡ F<; - sP- ¿ lw.

el veclo¡ unilario porp€ndicularal plano fo¡mado por A : 2i -

6j * 3k y B

-

4l +3J -t.

-l ! B cs un vector perpc¡dicular al plano formado por A y B,

, k li _6 ,axB = -g l2 14 3 -l

= 15i - 10j + 301¡

,{Fe

El vccior ünitario en la dircccióny sentidodc A x B s

I rnulur.rss.fr "^ -¿

y/{15r+(-10r+(30)_

Fl *ctor üni.ario de la mismad¡É.c¡6n y sentidocont¡ario e$(- 3l + 2i - 6t)/7 Cc'oDarar con cl ¡€óultrdo dcl problcrna 16. Eir

el teorerla de los s.nos en trián!¡¡lo plano.

S.a¡ ¡, b y c los lados del t¡i¡h8ülo ,8c que 6e rlen ¡a ñgurai cn ést¿scondiciones ¡ + b + c : 0. Éla por ¡ x, b I, y c x, sucesivam€nt, s. Hiplic¿rdo ¡ x b: b x c :c x ¡ abeiC: b c s fn A

sé¡ C

!¡ib,

C,Gidcrando un tctrecdro d. carasF,, F,, F,F., y sean r: Vb V& V. 106wcto.e6 cuyoañódulos soll, rEspccüv.Et¿, l¡3 áre¡s ds F¡, ¿, F¡, F¡, cüyasdircccion€sson Fp.{dicul¿rcs a dich¿scarasy de séntidohaci¿el .xt€' i. del tel¡aedro-Domootrarqu¿ Vr+Vr+V¡+V. = 0. seSrtn.l proble¡úa 30, cl á¡!¡ dG u¡ triá¡8ulo do rdosRyS$'/'lRxS Lo3 vectorosa¡ociadoscon cadaun¿ d€ lasc¿rasd.l

v' ' j e'r' L uep

v 1+ V 2+ V r+ V4

-

y¡..r¡,c,

y " = lc x e ,

}

,a stst¡oTrcA '1,

+:+ $=1,?'.?' la(Bt

D€

v 4 = á (c -a )x (! -A )

* [¡'r + ¡'c + c,¡ + tc-^)¡(B-^)] i [.r'r + r"c + c,aa* c'¡ - c'¡ - a'¡ + ¡,.¡]

= ¡.

Estor€lult&do !e puedr gÉncralizars Dn poliedro c€r¡adoy, cn €l casolfifito, a un¡ suporfciocer¡ada Atgün¿ev!co6,cono h.mcr visto c¡ cs& c¿!o, r.sulta conwnicnto asigna¡dtu€ccióny sentidoa un ár€¿, condicionc.d.l Ect¿t €s dccir, consid6rarcor caráctcrvectoria¡a un¿ supcrftie. Se pü€nehablar, en ¿3aas &.a o v.cto¡ superfrcí., I{aih. cl n¡omcototlc üna fr¡cr¿aF Espectodc ün punto ¡. EI rnaub ilel mo¡nentoM d¿ una fi¡cr¿aF resp€ctodc un punro P 6s igual ¿l módülo de la fuerzaF,

-,É-++'

PRODUCTOS ESCALAR Y VECTORIAL

26

multiplicando po¡ la disiancia dcl pünto P r l¿ di¡Ect¡iz de F. Por Io tanto, Iláma¡üo r al v€ctor quo une P con cl origpd 0 de F. result¡, M : ¡(r sen0) : /Fsen € :

lr x Í |

El sentido de r x F correspo¡d€ al avan@ de un dacacorchos cn ¡ con el s€ntido alc ¡ot¡ción tal quc llcvc ¿ coincidircl prirncr vector con el sogundo por el ñenor de los ángulos que forn¿n (r€gla d.l triedro a dercchas que heños visto ¿nterio¡fncnte), El momento de un veclof se rcpr€santa, €ntorces, por M :rx F .

9\ '\

F,

L--

\---"

at) 6d. Uo sóli.to rlgido gir¡ alredédor de un €je que pasa por O con - u¡¿ volocidld angular@.D€mostr¿rqüe la v.locidad lineal y de utr pr¡oto P del sólido cuyo vcctor d€ posición €s r vi€¡e daila por v : {, x r, siendo @ un vector de módulo o y orya direcció¡ y s€ntido son ¡as &l ¡yanoc de !n sacacorchos que gira en el sentidodel movimienro. Como €l punto P dcscribe urla circunfe¡encia do radio . s€n ,, el ñódulo de la velocidadl¡leal v es @(¡s¡ ,) : lo x.l. Pñ¡ co6igüie¡tc, v es pe.pcndicul¿r ¡ o y e r dc foúa quc r, o y r fo¡men uri tri€dro a d€r€ch¿s. Lu€go v tienc €l misrno módulo, dirección y rcrtido que o x r, es clcci¡, i : o x r. El v€ctor o se ll¡ma rd¿.¡Z¿¡d¿¡f!-

PRODUCTO,STRTPLFS. ../¡1. Oemostr¿rque cl valor absolutoile A .(B x C) 6s igual al volu¡ber de u! pe¡alebptpcdodc ¿rÉtas A,B y C. Scan cl vector unitario pcrpcndicüla.al pa¡a. lclosramo I con la misma dire¡ción y sentidoq e B x C, y á la dislarci¡ del cxlrlmo de A al pa¡a-

I I

Voluñ€n del par¿lelspípodo: (alrura ,) (ftla del par¿lclosr¿mo¡) : (A.n)( lB x C L) : A'{ BxCl'¡}A (BxO SiA,By cr|ofonna¡ün tncal¡o a dclr.lE, A.¡ < 0 yelvolurrloD:lA'(B x C) I. '/ts. s¡ ¡-A,t*Aoln/ok,

B -Blt+Bri+8.k, A. (Bxc)

qu€ c =crt+caj +cak de¡nostrar =

AL A, 4l 81 8' 831

c, c. c.l I

¡l

L

' " arl A

c\ c2 cal = (a¡ + A2!+ /{,r\. k¿'c"-¡"c")r + (&c'-¡1c.), + (81c'-&c)ll . 4lB2C.- ¡€C2t + A.@sCt- B/C.\ + ,tei¿$r-

82C!) =

,t¡ le A¿l L 82 B.l

PRODUCTOSESCATÁR Y VECTOR¡AL ( 2 -3 j ) . [(i + j -k )x (3 i -k )] D.l Drobl€ma 18. s obliene

.

2 -3 0 l r I -ll = 4 . ¡ o -rl

27

t,'.'

[-,I

. i, rd{

' ,( '

7ü ' lq

Olro nétodo- Haciendo oDereionos, ( 21- 3 J ). [i x (3 1 -t) + tx (3 i -t) - ]x(3r-r)l

:

(2r-3t. [¡ixr - ix[ + 3jxt - jx¡ - 3¡xt + Ixrl

= (2 1 -3 J ).(0 + j - 3 ¡(- ¡ - 3j + 0)

t

o,

= (21-3t.(-t-2J-3r) = (2)(-1)+ (-3)(-2)+ (0)(-3) = 4.

--t-. l}

D. f , os t r arqueA (B x c ) Del problefn¿38,

= C .(A xB ).

= B.(c x A )

a'(BxC)

=

4 a rhl

t-1='A t'('r

f\.

¡r82¿¡l c1 c' cal

Teni€ndo cn cuentaque €n un det€rminante si se p.ínut4n €ntn sl dos.llne¿! (filas o colun¡ad

A1 A, 4l LB"B"l=-

",

I

B.

t, t i

B"l

q

c2 ctl

o, a" a.l =

83

c1 c2 ca

-

B\ B,

B'

cr c. ^. cal1

t" c"l

B1 82

@

L

su valor

ct

c2 c.

B\ 82 8.

Dcm6rrarqüeA. (B x C) = (AxB) C.

7

Del problcma zl0,

A-(tx C )

= c.(A xD ).

(A xB ).C

En €l prodüctoA (B x C) s pu€ne$¡primir el paiént.sisy oscribirA .B x C, ya que.tr estocasono €xisa€ambisii€dad; e¡ ef€cto,l.s úni@s int ¡prclacionespoliblcs ion dc A . (B x C) y (A B) x C, p.ro estaúlr¡nr¿carec€de 3crtido ya quc no €stád€ñnidoel pfoducto vcctoí5l de u¡ es.al¿rpor u vcctor. diciendoquolos productos La igu¿ldadA (B x C):A xB C sep¡.¡.de exprcsar es.al¡ry voctoris¡, en estascondiciones, son p€rmutables,

a.

Dcmstra. que A.(A x C) = oDel probleña41. A (A x C) = (A x A) 'C : 0.

.6. Deñctmr qu€ la @ndición ¡ec€sáriay suficbnte par¿ qr¡c los rctorEs A, B y C se3ocoplan¡riose3 quc A B C=0. Obs:¡ves€que A B x C no puede8ilnifi*r otÉ cosaqr¡e A (B x C). Si A, B y C aod coplan¡rioa, cl volüñen dcl paraleleplpodo fomado por cllo6 6s igual ¿ ccro. Lucge, s egúnel pr obl e ma3 7 , A B x C = 0 . R€cípro@ftente, si A'B x C : 0, el volum€|l del p¿ral€leplpcdo fodnado po¡ lo3 vccaolEsA, B y C es ccro, y, por Io lanto, Ios v6cior$ son coplandios.

{"1.S ean r ' : ¡ ' i+ ¡ j + ¿ ,k ,

r¡:¡J + /¡l

+4k

y r.:¡J+ rJ+ :,k

Ios w ctorosd€ posi ci ónd€ l os

PRODUCTOSESCAT.ARY VECIORTAL

2E

luntos Pl¡t, /¡, z,), Pd¡!, ¡, zJ, y Plx,. .,¡. :,). Hal'ar lá ecuacióndcl pla¡o qüe pasapor A, & y &. SuporSamosque P,, ¿ y ¡! Do esún ¡lineados,es dccir, que de¡ermi¡ra¡un plano. Sca r : ¡i +, + zt el veclo. do posición de un pünto senérico del plano- Considerddo los v€ctoro3 y P ,P : r-r,,queson PrP , : ¡:-r,, PrP j : rj -.r Dcl problem¡ 43. P,P PrP' x PlP¡ '= O

(.-¡J

ó

G,-r,) x (r¡-rr) -- o

En coordenádas rcctangulares,

l('-.\)t + g-y1Jl + k-,i)rl

.[(¡,-"1)l

+ (73-rl), + ('s-'r)¡]

Ll r [G3-'1)t

=0

o bien,seeúnel problema 18.

/V/r'rs,r Iraüd la €cuadóndolplanofonnadopo¡ lospunrospl2,-1, t), ¿:(3,2.-t) rr : ll + 2i- k, .¡: -i

r,=zt-j+¡,

I-osv¡itores ¡pt= r-rr.

F2pr= r?-ri,

+ li-f 2k y.:-ri-l-.}i pal'r = rs-t

y pl-1,3,2).

+2k.

éstánsiruados enol planopedido,luego

(r-tt). (r2-rr)x(rs-.1)

= 0

[(,-2)r+(t, + 1 )r+ (z -r)¡] - [ i + 3 r-2 r] x [ -3 i+ a r+ k ] = o [('-2)l+(/+ 1 )j+ (¿ -1 )r] . [ ¡u + 5 ¡+ 1 3 ¡] = o = 30. u(¡-2)11(7 + t )+ 1 3 (, -1 ) = o o b ie n ,U¡+ t + 1 3 ' i !

I

I

.,/4ó.Seana,lyctosvectoresdeposicióndctospü¡ros¿Oyrtnoaline¿dos.D€mosrrarque¡xb,fb esun voctorperp.trdiculs¡al pl¿nofo.rnadopor ¿ O y -R. r-

LlamernosI al voctor d! posiciónde un pünro 8enéricodet pleo form¿do por P, O y R. lrs vcctores ¡, b-¡ y c - ¡ soncoplan¡riosy, segúnel problema43. (r-¡)

,

(b-¡)x(c-r)

= 0 obien. (r-.).(¡xh+txc+cx¡).0.

Luego.xD+Dxc+cx¡ espe¡pe¡dicular ¿ r-r i.

47. Demosrra. que: (a) Ax(BxC) (¿)Se¿n a

-¡1t

y tañbiénalp'anoformado por¿ O yR-

= B(a.c)-c(A.B),

(¿) (AxB)xc

=B{A.c)-A(B.c),

+,.{,t+,t.¡, E=Alt+B2r+&¡. c=Crl+C,¡+car.

S c ti c n € Ax (Bx c )

. (A tl + A 2t+ út)

-

r i

x

rl

Br B, 4l

(A!t+A2t+&r,xt[B2ca-&c2]t + l4c1-Brc.lt

+ lBlc2-82cLlt)

PRODUCTOSESCALAR Y VECTORIAL

29

rr*l L A" A" l

4r"-r"r, ,"",- u,r"

",""- ",",1

(A2B'C2-AzB2C\-/9¡,3C\ +'l3Alca)l I (4B2Ca-&&Cr- laBrc.+ AL82C!)t + (A$.Cr - A,B{a- A2a2ca + A2B.C2>\ T¡Dbién, B(A. c) - c{Á. B)

(alr + 8r, + 8s¡)(,.{icr+ l,c, + - (CL\+ Cá + cartúlal+ A2B2+&h) ^!C., (A2BLCe+!l3B$o-,14C$2&C$) | + (B2trCr+B214Cs-C2trB\-AhBslt + t4Agr+ hA2C,- CaAl8r-CaA2B,)h

= - c x (^ x B ) = - { A(c , E) - B(c. A )} = B (^.c)-A (a.c) :r tax B ) x c s C de (¿) por C, A y B r€spectivarE¡f€.

habi endosuti rui doA ,B

Obsérves€qu6 A x € x C) r¿(A x B) x C, es d.cir, cl producto rcctorial no go2a d. la propiedad 3--ciativ¿ psra todos los v€ctor$, A, B, C'

= (A'c)(B D) - (a'D)(B c).

D}-:r-..r¡arqu. (AtB)'(cxD)

S€a X = AxB¡ luego D = {a( ,c)-a(B.c)}'t) {(AxB)xc}.

u€l probleña 41, X.(CxD): (xxc).D. ( ^ x B ).(c x D )

(A.c) (8. D) - (^. D)(B.C). s€gún ol p¡obtema 47á). ¡l

lloostrar que: Ax(BxC)

+ Bx(CxA)

+ cx (AxB)

= 0.

Ax(Dxc) = B(^.c)-c(A.B) Bx(cxA) : e(a,A) - A(B.c) Cx(axB) - A(C.B)- B(C.A) soa¡do mi€mbroa ¡r¡iérnbmseobtilnc el tesutiadoD.¡ido Delp¡oblern¿ 47(¿),

que: (AxB) x(cxD) Desostra(

= B(A.cxD)

- A(B.cxD)

= C(A.BxD) - D(A.Bxc).

Dcl pmbL¡n¡41¿), Xx(CxD) : C(¡.r¡) - D(X.c). S.¡ X=AXB; entonoos, (axB)x(cxD)

= c (a )(B. D)- D(Ax B. c) c(a. B xn) - D(4.a xc)

Dcl problems 47(¿),(AxB) xY = A(4.!)-A(B.y). S€¿ Y=cxDi ' (Ax!) x ¿Cxrr) = B(A.CXD)-A(B.Cxn)

*roo"*,/.

. 3€aPC¡ ün triáItsub aeféficoo¡yoa haLos?, {, . sor .rco6 ab clrculo má¡i¡no. Dcdodt¡ar q¡¡o senP

seno - s.n¡R se¡ I

saú¡t

quc la clfor¿ €s d. r¡dio unid¡d, y scaí A, B y C los vccloEs unit¿¡ios traz¡do! d€sdcol SupoDg¿mos c.Dtro O de l¿ $f6ra a lo¡ pu¡tos P, 0 y -R,Blpactivam€nte.Del problem¡ 50, Q)

(A x B) x (A x c) - (4.! x C)A

30

PRODUCTOSESCALAR Y VECTORIAL Elvóctor ünitario p€rpendiculara A x ByA

por lo quc de (-l) seobliene (2t (3)

x CesA,

s¿o. s€¡q s€nPA (A.B x C)A senI sen4ser'P= A.B x c Por pcrmutáción clcticadep. q, 4 P, Q, R y A,B, C se

(4) (J)

scnpson¡scno: B CxA sebqscnpsan¡ : C'A x B

Coño sesundosmiemb¡osde (3), (4) y (J) son isualcs (problema4O), se¡¡r sEngs¿oP:san, scnr senO:sen4 s¿np scn.¡R seno

lonP

senA

Eat, s. el teor.na d. lot s.¿or de l¡ trigonomctria6férica.

quc: (AxB).(BrC)x(CxA) .:'52.Dcfnoslra¡

-

(A BxCf.

Delprobl€na 4?(¿), Xr(cxA)

= c(X.A) - A(x.c). Sc¿¡ X=Bxc; entonces, = c(B ic. A) - A(BxC.C) (Exc)x(cxA) = c(A-axc) - a(D.cxc) = c(^.Bxc) (AxB).(RxC) x (CxA) = (AXB).C(A.BxC) = (A: B. c)(A.B x c) = (e.sxC)2

rosv€{lores -/s3. Dados "'

ifi.

u'-

Y

c'=

, dof¡ostfa¡ quc si a' bx c I 0 ,I

(a ¡ a ' .a = b ' .b c ' .c = l , = l .c (ú ) e rb = a ' .c = 0 , d .¡ o, c' .a = = ¿ G n to n c e sCdx (c ) s i ¿ .b x c . c' = 1/I/, (d) a', b', y c' no son coplana¡iossi !, b, y c no lo son. :1

. . lr r .

(0 ) ¡.D

= o .r

bxc

¿.bxc

b.brc

b,b.c

Los otros $lllados se dcducen de forma análoga. También s€ pueden hallar obs¿rvando, ejemplo, que ¡' tienc la misma dir@ción y sentido que b x c y qu€, por lo tanto, debe ser pcrpendic'¡ a b y a c , c o n l o c u a l ,r' . ü : 0 y ¡" c : o. De (¿) y (á) se innere qu€ los sistems de-v€ctores¡' b, c y ¡', b', c' son r€cíprocos.(Proble propuestos104 y 106.)

PRODUCTOSESCAIAR Y VECTORIA!

v

v (a x !). (bx c)x(c x ¡) --7i-

rtr.go J. ú' c' =

(a.bxc),

v2

=

v"

= 7 I

v.

seeúnel problcrna52.

rdr Del probi€ma43, si a, b y c no son coDt c on ioc u a r ¡' , b ' y c ' n o * " " o o t-i ;:1 ' .' " tr

3t

"

' o x c Éo

Lucsodc(' )$deduccque¡" b' xc' + 0

l>moslrar quc todo vector r se pucdeexprcsa.en función de los vectofes¡€ciprocos d€t p¡oblemaj3 en Io

=

r Delp¡obterna 5

(r.d)¡+

B(a.cxD)_a(B.cxD)

coronce\.

D =

Sea A=¡, D=b, c=c

y

!18-{g' 4.BrC

(r.b,)b + c.C)c. = C(r.Bx¡r)_D(a.sxc)

-

B(^ c\ D . crA B, D {.8.C A.B^c

Enes|¿s condiciones,

D=r.

r ' b, c

i.¡rlt ¡.b¡._

..¡¡c

\

:

-

..,",.r."'",

-

(r.d)¿

rx b

¡.(a.;.crb_

.r.ú,b + a.d'c

r.,".¡;,. i

. '7 -

' s ,' \ " )-.4 ¡!.\j

:\:/

Problemas propue;tog

'/

(it

'

l . falla r i r ) ¡ .{t+ j).,(h1¡ -2k).{¡ rlL). (. , (2 t _ ¡r r(, . (3 t + 2 i

," :;:','? _ - ,:;::4¡_4_4k ,h¿'hf: ( (at 8. \b A. B, \dt ,o - ," .- ,1,,r^ . r"r. sot.^ t0 )bl -t.t _ ",.,n t4 t9r'! tn krt \/ \/ k, A 9a

t'l';l';'g*'yo'-'o"BiJl1l;;¡' - "^ /' " ' _. / , ,

k )-\

U !

r^,) :

" , b

,

r-u* v B:4r ri+k,tbrc''4i-2i+4k v D=3/:6t 2t^. ', \ ... " - r .

,Y LP a] ac s év alo re s d .¿ s o n A,d t-2 j l k y B = .2 d i

+ ¿j -ai

pc.rr€n.l i cura.es? S o!.a

59, H¿lla.rlos ánsu¡os.agL¡dosforrudos por ta @ta que uñe los pu¡rc { t. - 3, 2) y (l, s ¿ /. a rcc 6 2 l :t. a rcc o s2 /1 . a .ccos U l ó 4a t2, 4A t2 .70 J¿

j,l)con

2,_l

tos ejescooF

6{). Halla.loscosnos directoresde la recraquc pasapor tospunros(1, 2,-4) 2, ,--4) ' J (\,

Sol. 217,317. -617 ó -zfi,-317,6t7

ó 1 . Dos l¿ dosde ü n r.i d n s u l os o n to s v e c to re A s l i + 61--2k, triá¡au¡o. So/. arc c'x 7tl-3, ü. cos \/ ir/15,90.,

y B .4t_j i 3k. H al tar l os ángutosdct o bi€n, 36.4,, 51.56,, m,

62. Las diasonalesdc un paratelosramoson A:l¡ o¡-¡,, U:t, t- lj -ót. Demosrr¿rque drcho paraI€log.año es u¡ rornbo y h¿ilar süs ánsulo. y Ia toñgrrudd( \u\ trdos: 3ol, 5{ i12, a rc c o s2 l l 7 5 , 1 8 0 .-a rc c o s 2 3 /75. o bi en,4,33,72.8,. 107' j 2,

----1-

12 PRODUCÍOSESCALARY VECTORIAL ' ,(;.. *dg Hallar Ia p¡oyeccióndcl v.¿tor 2i - 3j + 6I sobr€el v€ctor i + 2i +-,2k.

Sot.8l3

f4.¡ Hall¿r la proy€ccióndal v€ctor4i - 3J+ k sobr€l. rc¡ia que p¿sapo. los puntos(2, 3, -1) y (-2, -4, 3,. I S¿¿. t rF:.,siA:4i-J+3kyB:-21+l-2k,hallarclv€ctorunilariop€rpendicular¡AyB. .\ f¿/. +(i 2j*2ky3 óó. Hallarel ánsuloasudoformadopor dosdiagonalca dc un cubo.

Sol. arccosl/3, o bi€n,?o'32'

ó7. Hallarel ve.lorunita.ioparaloloal plsno¡/ y porpcndicula. al vector4i óE. Demost.arqu€ A : (2i - 2l + Xy3, B : (t .f 2J+ 2h)/3y C : (2i t- j mutuamente !€.pendiculares.

s¿/. + (3i + 4j)/5

3¡ + k.

2k)/3 son vectoresunilarios

paradespl¿zer ó9. Halla.el rabajo realizado un cuorpoa lo larsode la ¡€ctaquepasapor(3, 2, -1) y (2,- I , 4) en el campode fuerzasdadopor F : 4l - 3l + 2k. S¿/. 15 70. S€aF un canpo de fuen¡s conslanie.Demost¡arquc .l trabajo realiradoparadesplazarun cuerpoa lo l¿rgo de un poligoñocerado en .stc campocs c¿ro. 71. Demoska.queu¡ ánguloinscrilo€n una scmicúcunfcroncia cs recto. 72. s€a,racD un paralelosrarno. Dcmorrrarquc 71, + a7,

co,

DA,

AC" , BD'.

quo y ¡ y O los punlosnediosde susdiagonales, demostrar 73, Siendo,arCDun cuadri¡átero cu¿lquiera I aD' - 4Pe,

m'-BV-éD'+Di,-Ac Esto es una gprEmlizacióndcl problem¿anterior.

7a. (a) Halla. l. €c¡nción ve.torial del plano pcrpcñdiculara un velor dadoA y quedistap unidadesdel o.igen. (r) Epresar la ecuaciónd€ (¿) cn coordcnad¡sr€clangula6. sol. (¿) r'¡ -p. si€ndon = A/,,1I \bl Aé + 4, I Ar Ap ?5. Scanrr y r' v€ctoresünnariosdcl plano ¡/ qüc forman los ángxlloso y t con €l sdn¡ej€¡ p6itivo-' (¿) Der¡roslrar que.¡:cosol+sln¿1, rt =co6ri +scn/j. (ó) A pani¡ d€ .1 . rr, r€ducn hs fórmulas trigononélicas cos(q-l)

: cosocos, + s.n 4 sénp,

cG(q + t) : cosd cost

wn d senÉ

?ó. Simdor el vecto.dc pos'.ióndc un puntod¿do(¡,,r,, r,), y r €l vectorde posicióndé un pbto cualqüiera (¡,r,r), hallarellusarsoornétrico (ó)G-a).a:0. (c)c-a) r:0. d. ¡ si (a) 1r-¡1-3, so¿ (a) Esfera,centro€n (¡,, t¡, r,) y radio 3. (b) Planoperpendicular a e quc pasapor su lxtremo. (c) Esfera de ceÍt.o cn (rtl2, r'12,,'12) y .adio '¿t/V +-yi i )i, o s€a, L¡na€srerade diámet.o (¿). 7. Si o ¡d oA:3 i I i + 2 I y B : i -2j -4t l os v€ctor€s de posi ci ónde l os puntos?y O resp€ct ¡ vam ent (a) HaUa¡ l¿ ecuacióndcl plano que rrasapo¡ O y €s porpendicular l^ re.ta PQ. ^ (ó) ¿Cuálas la disranciadel punto (-1, l, l) al plano? (b) s o /. (¿ ) (r B ) (A -B):0 , 5 o bi en, 2t + 3t + 6,: -JE t 78. Efegtuarlos productosindicados:

.k,(c)(2t-4k).(+2t,(d){4t+l-2k)\(3i+k),(¿)(2i+j-r)x{li pl zi Bi +xt,tb.(i+2,r (¿) 8i ót. (D 2t-1, (c)8t-41 4k. (l)i-10j-3k, (er2i - lll -7k So1.(¿) so1. 6k, (]¡t 2l-1. (c)8t-4j+4k, t¿' ¡ . loi -ll. (e)2i-111-7k -

2j+4r)

79.SiA:3i-j-2kyB:21+31+k,ha¡lal (o)lAxBl, (¿)(A+28)x(2A-B), (.) l(A+B):(A B). s¿/. r¿r y'1e5. ró) -2Jl -351-55k, (.)2v195 E0.SiA-i-2j-lk, B:21 +l-k y C-i+3j-2k, hallar: (¿)L(AxB)xC, (.) A.(B x C), (.)(A xB) x(BxC) (¿) lA : (B x C) , (d) (a x B).C, (/) (A x B)(B.c) sor. (a) 5 \/ 26, (ó) 3 1/ lO, (c) -m, Q, -20, (¿) -40i - 20j + 2Ot, (/) 35i- 35i + 35k Sl.Demosk¡rque!isev.¡iñcánsimuháncamcntclascondicion.s:(¿)A.B:A.Cy(ó)AxB-AxC, .r-. siendoAt 0, se 1icn.qu. B = C, pcroquc si solos cumpl€una de eltas,e¡.o¡cs B + C nec€sariamenc '!| -El Hallarel ár€adelparal.losramo cuyas diasonales sonA:3i

+J-2k

y B: i-3j

+ 4k.

Sol.5\,/3

PRODUCTOS ESCA¡.AR Y VECTORTAL

ffir.l

¡¡ta ó.f ¡riángulocuyosvérricca sonlospunros(3, -1,2),(1, *1, _3) y (4,_3,.D.

Sot.U2,J¡6s t:l-¡-3kyB:i-2j+k,halla¡u¡v€ctordcmóduto5p€rpendicular¿losvecroresAyB.

rd fei*lo

= = fi

+i + k¡

en cuenta cl problema 75, d.dlcn Ia fómülas

scn{d - }3): send cos, - coso s€nr, scn(a + r) : s€nd cosp + cosd s€np L ¡dD la fuerz¿F : 3t + 2i -4k 6n el punro(1,-t, 2), Hatlarel mom€nrode F respecto d.t punro )r¡l.J). Sot.2i-7i-2k l¡-Ehcidad anrular de un sólido rls¡do qu€ giB-'¿-lrcddor d€ un e.¡€fii, ü€ne dada po¡ o : 4i + , _ 2k. Édla velocid.d llne¡l de un pünto p dcl sót¡do cuyo \4.tor dé poi¡cion nspccro ¿e un punro'dc¡ cF

* r_3i _r .

s ¿ ¿5 i B t _ t 4 r .

x(C+A ). ). h ¡¡i6 i 6 ca c a¡¡((A.l.B) A. r . B.(B ).(B +c) +c)x(c+A h G ua r q u c( ^.8¡c)r¡.b\c) .

t -:

tq

so¿¿ 2A so 2 A Bx.l Bxc | ''-

i, r ' i,' l Ir

la.¡ A.b a. ol 1i lB .¡

B .b u . c l

lc.. c.r c.ol Éi¡.¡_ef volume¡dcr paBlefepipedo cuyasaristassonA = zt-\ t¡¿ 7

ií

l,

l, a ' _l

Ii

,r

,J¿ .l

,

, - i: ) > * - ,

I

-

I

í _j I

+&,cj.+

f,i,

c:

¡i-l

r:r,

bdrA-BxC:0,demostrarquc,o(a)A,ByCaoncoplanariosnosicndocolin€alesdosdocllos, ¡.úrdosdelosvcctoresA,ByCsoncoli¡eales,o(.)lo3!rcsv.croresA,ByCaoncolineales. &ta¡ la cor3t8nt€ ¿ de formagueloswcro.es 2¡ 5.¿ ¿ --4

i*k,i

*2i-jly

3l+aj +5k s€¿ncopEnanos.

f.¡ lrciorcsdcposiciór,con¡especto ¡l orisen,d6tospunt6¿ O y,Rsonr, : 3t -21_k,., ! .' : 2¡ + J- 2k, resp€ctivam€nt!. Ha¡l¡¡ la distancia deP sl pla¡o OOa. So¡. 3 t¡Irar la distancia desde el ponto(6,--4,4)¿ la re.taquepas&por(2,I,2)y (3,-1.4), lLd6 fos pünlos.(2, ¡,3), OU,2,t), R(-1. -\ ,!y ¡S. Sol, \/2

: i + 3!+4r

Sot 3

-2) y S(t, ---4,0),balta¡ la nfnim¡ dista¡ciaent¡! ta! r.ctas

Ihlostfa¡ que las alturasde un l¡iángüio sr coTraneDün p\ñto (ortoc.ntrc). D.dost¡ar quo le3medialricesde ün triÁngulosecorta¡ cn un punto (clf./r¡c¿rrf¿). rñostrar que(A x B).(c x D) +(B x c).(A x D) + (C x A).(B x D) = 0. b POn u¡ ar¡Ángulo€sféíco cuyos,ados¿ 4 . sona.cosdc circuto máxi¡Ío. Dcducir€l te¡)En¡ dcl coscoo é 106iriársulos €sféricos, cosp= cos4cos.- sen4 sanr cosP

,

&r Frñrut¿ciónclclicad€ laslelras.sod€ducen lórnulassnáloga\params 4 y cosr. (A x B) .(A x c) : (B .at(A.A) -(A . c)(B ,A).1 [¡'d: ln¡erprcter¡osdosmiepbrosde Ia idcDtidad

PRODUCTOS ESCALAR Y \'ECTORIA!

t4

102.Hallarün sislcfnade rlctoresr€ciprocos¿l foÍnado por 2t+3J-t, l-l-2ü,

s ¿ ¿í r ' i r . - i t ' r - ir , tor.si ¡'=

r-.::ro* ".0,".!!1, '

-t+4+21,

- :r + r - á r J=;l*,

,

= b xc

que dcnrosúa¡

c'.f o = ¡o 1 d '

" ' . r' * "

"

-

C' ; "'.b!"'

104. Siendo ., b, c, y r', b', c', tal€s $to ¡' .¡

= r' .c

a' .¡= b1b= c" c= l = D ' .¡. b1c = c1¡

= c1b = 0

demosÍa¡ quc s€ t€riñ@:

¡, - b x c

¡. brc

r, =

. l! , a.Dxc

",=

"Io

105. Demostra¡quc el único s¡stemad. vectoresque cs Éiproco de sl mismo €s cl fo.mado por loc unitar¡osi,i, k, 106. DeEGtrar quosolo¿xisteun sist€r¡adc !€ctoresrcclprccodc uno dadode!€ctoÑs¡o coplanariosni

ü

r

Capírulo3 Diferencioción vectoriol ¡DA DE UN VECTOR. SeaRlr) un de la v ar ia b l ee ,c á l a r u : e ¡ e s L a sc o !-

l Ei 6

aR = n(¿+ ^¿)-n(r)

jx

_ R(&+A¿)- R(¿) Ae li ^r es el i¡cr€mentode la variableü, como .D la fisur¿adjunta. &F.¿ca del veotorR(¡r)respectodel escalarr se definepor R (! + A ¿) dü

R (¿)

A¿

a r-o a ¿

d limit€.

¡tR dependftanbiénde z, se puedehalla¡de formaanáloga,su derivadarcspecto de ,r ; ." ,.nr"r"nr" W. ffi.

enálogam€nte sepue¿len definirlasderiva¿las d€ ordensr¡perior.

gItI--rS EN EL ESPACIO. Si, en particular, R(r) es el vector de posición (r) qüe une el odgsr i5¡.ma de coorde¡adasco¡ un pu¡to (jr, L z), cualquiera, r(¿) =,(¿)i

+ ylu)i + z<Ljt^

{c) establecela relación ft¡ncional de n, .},y z respectode r. @odo valores a tl. se obtiene distintos valor€s

Lj .l lugar geométrjcode su €xlr€mo es una d €rpdc¡ocuyas ecuacionesparamétricasson

' =r ( ú ) ,

y=y(uJ, .=z(t)

¿¡ conorrones 7;

r(u i ¿u\ - ¡(u\

É la mismadheccióny sentidoque /r, como

enla figllraadjunta.Si€-lr"

"r ;1

r ¿) i:i

f

*" la dir€cción de la tangente un u."to, f,", "n ,:eaa en el punto (.!, ), z) y viene dado por du

du'

d\

tl¿

du"

¡tú-

'c .aso de que la variable¿ seael trempor, -4 Ia wlocidadinslanfánea \ con la que el ext¡emode r describ€la curva en cuestión.Análo,*

:

#

* * **acün

insta tátaa L to taryo de di€ha curv¡.

3ó

DIFERENCiACIONVECTORIAL

CONTINUIDAD yDERTVABILTDAD.

Una funciónescalard(r) escr,¡¡?,raen ¿ sj tim ó(u : é(r), o bien, si para todo númeropositivo< existeotro ó de torma que .

ló(u+¿u)-ó

(,)l<€

paratodo

<ó. l/r Una función\e.roriatRll,r . R,tuti . R¿tu.t¡ | Rswtkc\,anrind en, (scaj¡¡es/(r{,). Rf,) y ,c.rrl, o ¡¡en,ij lin xtu + ¿ut:R(u) Dicho ge ¡i to son tas rre\ I otra manera,R(r) .,-o ,;ñr,.é- ,..: -_, , . para.lodo n¡imeroporirj,o, erisreolro ¿ de formaque

I R(r + /r) - R('])i < .

paratodo 1lu <o.

:ffinltüifi if"r,"j,*r*É,l'.mff :,"r,:fi í**"?rk::llkitlLlxj

TORMULASDE DIRJVACIO\, SeanA' , a- B vv.c n,ñ. , .. ( fün\i^--. iones.^^.^_]-, \ecroriales *"'ulütcs oenvabl€s derivables de un esca .) @u¿ ru¡crone\cardr deri\abte de u ÉD estascondicion€s, l

t. f,or", = df

2. l(^

dB

-

*r - o.f

'#."

,.9 ro,", = n,^ 8 .f" " + l ¡or'¡=

¿ d-4

-*n,

s .f- r e .u ' "=r o . u, #. o. #""

-f

. r""

o t{n "1 r""¡¡ = e' 1n, f r * a"¡ j} , c ¡ * #, r u". r Con respecloal ordende los t¡ctores,hayque reneren

cuentaqueel producrovectorialno esconm

DERIVAXIAS PARCIALIS Df I]N V¡

'l::: í"'":i; 'Tl:,.i::¿::i:'J:',1ffi1i..; lli,lffi; *t.:,li:l,jl ';ü;;',;:: ¿A

1q!'5¡¡i1¿' o';1,

siexistc este ljmite . Anátogarne¡te,

AA = Um

A (r, T + Ly, zl * A (.,y,2)

Aa

A l ¡,i ,

a). é; ¡

a!'o

=

lim

z + A ¡) -

A (¡.y.¡)

so' las derivadasparciares de A rcspeclodc , y de :, respectivanenr€, siempreque los ¡imiresexhtan_

DIFERENCIACIONYECTORTAL

d€ continuidedy dcrivabilidadde funcionesde una varieblese pued€ngeneralü¡r

ó. dos o másvariables.Por cjcmplo,una d(¡, /) as conlinuaen un punto(.x,/) !i .ú¡-_r- -l,v) : C(¡, J,), o bicn, si par¡ todo núrie¡o positivo . existcotfo ó dc forma t\!

- ¿t\-ó(x,r\l

deñniciones s€ < r pararodo llx | <6 y l/¡ l< ó. Análogas

Gncl caso dc funciones vectorial€s.

el t¿rminoderiv¿ól¿ indicrqu. ls funciónticneprimems &fu¡oones dedoso másvarieblcs de ordensup.rior 6edc6¡lcndc la mismeform¡ quc cn cl cÁlculodifercncialordin¡.io.

a 'A

a.aA .

a'?A

a . a a-

oz '

ot

o f'

of

a'A ot o,

ot

¿. a a ot

a'A

of

a za

a .¿ a .

oy

a .a ^.

ot ot

a"^ _ a.!1t-,

ot o2'

parcisl€scontinussde s€gundoordensevcriñca ¡;" cs ¡ndifcrcntc.

ot

=

o2'

4-

d-*

csdcc¡r,el ordcn

d. la derivaciónparo¡alde vectorcssonanálogasa lasdcl élculo diferenci¡lordineriopqr¡ llcalar€s.Por lo üán(o. dc x. /, :. selienc 6¡A y B soÍ funcioncs

-rr=,r.F* S . ¡

. " r = ^ ' $ - $ '" i, {r|.B)

a ,- aB

- 3 { 3 t,r.¡r}

_^. 9.

AA

aB

ztl:

¿'t '\)'

$ .¡l

?a aa

.

-s + .s .

DE UN VECTOR. Las fórmulasdc difcrcnciac¡óndc un vcclor 3onaráloras a la3 difcrcncbl ordinario.Por ejemplo, ^ = A J+ Azl

+ 4 1 , enlonces dA = dA ¡+¿A ;l + d ' l. l

¿¡-B).A.dA+dA.B Ja¡B)-AxdB+¿AxB

r A= A(¡,y,,),scricDc dA - *¿'

- #¿

,

!a,,

,i t,i:

"t".

Constituyeel cstudio de l¡s cuías y supcrfici4 cn el cap¿cio. curvacn el espacio visro. dcñnidapor la función(t¡)¡ seerlnhenros es un veclorm l¡ di. $ & la tang€ntea c. Considerando ¡l escalsr¿ como l¡ longilüd dc arcor medidaa partir da un DI¡ERENChI.

deC dela curva$ esunvecto¡tanglntea cy quallamarlmos T coño scobs.ftaa¡ la ñgur¡, ¿lu

:+'

3E

DTFSRENCIACION VECTORIAL

La v¿riacióD d. T respecto de r es una medida da la ,f¡

cürv¡tu¡a de C y vGne dsd¿ por +. de

.=

k

direcriórt

en un pruntocu¡iquicra de C ec l¿ correspon-

dienta a la trofmal ¿ la cuwa en dicho punto (Probleme 9). Et vcctor ünitario N er la dirección dc la nonnal se llama ¡o¡mal princípal ta c\rt.la. Asl p\cs, ^ ,(\. siendor la .r¡r¿rr¿rdde C enel punb dado. ; El ¡rclproco de ls olrlvaturo, e : llr sellÁúta.rudío de

EI vccto¡ unitario B definidopor cl productovccto¡ialB : T x N, perpendiculsral

por f y N s€ llam¡ óü¿D¡a, a la cuna. Los vectoresT, N; B to¡maD ur riedro triñectángulo en cu¡lqui€r punto de C. Este sistemÁdc coordenad¿srecibe el nomb¡e de triedrc itlttlnseco en Como a medid¿ que varla r el sist€mas€ desplaza,s€ le co oce oon la denoÍun ci6n de ttiedro r L6s fó¡mulat de heñetseftet güre¡@l: ¿T ¿"

qüe rclacionan los vecto¡ÉsT, N y B con sus dcrivadas, dN

= rB - }(T,

dB = -7N ;;

eDdo¡de €l esc¡la¡ r se ll,amato¡r¡idr. El r€cíproc¡ dc l¡ tonión o : l/r es el rudia d. torsibr. Bl plarc osculadotE lunagurva en un punto ¡ $ el que contien€ a la tangente y ¡ I¿ en P. El plano ñotmal es el que pasa po¡ P y es perpendicular sl plaro tsngente. El p/dro que pasApor P y €s Derp€trdicula¡a Ia rormsl principal.

MECAMCA. El estudiodel movimientode uDapa.tlcula a lo l¿rgode una cürvoesun¿ mecárica que sc denomi¡s chertuúticay e c¡ryo cstudio se ¡plican ¿lgonos conccptos de fereüc¡I. l.¿, dinóñica c6la. Darle de la mecánica oue estudia las fuerzas aolic¿das¿ los ¡ólid<¡s en dovimi€nto. L¿ ley fu¡daür€ntal da la !trecáúic¡ es debids a Newton y exprcsa que la actúa sobrc üD sólido de m¿s¿r¡, desplszándolo s u¡r¿ velocid¿d v¿¡i¡b¡c v, üene dad¿ por

r =fro"t ricndo ,,f el lmpctu o cantidad de movimie o del solido. Si m cs constant , l¡ fórmul¿ a E m bt , siendor Ia ac¡leració¡del sólido. ;; -

t

DIFERENCTACION VECIORTAL

Problemae resueltos -<¡)l+r,(")j+r(z)ky¡,,,yzfüncionesd€.iv¿bl€sdeun.scal¿r¡rdemostrarqu€

I

f&'

¡

E - &" -

) 'z ' d ' l;' . 7;^'

"A

L

¡{' +A{ - R(!)

¡

+4")t *+r('¡ [.fu +A"lr [.(¿ r(u+4")t +,G +Aü)r]- [,(ult +rt,ll + ¿tull]

h - É:* &

-Ét

t

t i rrll \ ( 'N ' P f ¡¡ l A !l l! ti

)' h

-

r ( u.A¡ .)-¡(¡)t+ r(¡+41)- /(¿){. . t ¡+ A , t - ¡t ¡1 , -----^ ¡A. A" " '-

.lz + ¿a t;t + 7;r

s . n ¿ l+ c o sr¡ + rf ,rra krl o ¡f ,

rdB l ot n & a , t1 ff| .o t

. jt*'4,- ,ar"*or* ,3r,rr= r "*, =

J

= : f , t f f t jt - o , - * i t . o , ) I * r 1 t t t . - .o n|. - co sr ,

= /G;'Í

tL\" = '5

r-¿*"')\

= /é,-'rT-i*,j.

=l

s.a., +k

it-u

t

[.i,'Q""

se mücw a to largo de rDa cuna cuys3 ccuacionca pamméFic¡s son x : e-t, j = 2 cos 3t, !:fi¡¡l¿ Lr 3r. siendo t cl ti€mDo. h¡ su velocidad y sr ac.le.ación cn fuició¡ dcl ticmpo (lcy.ic ¡,€locidad€sy ¡ccL.¿cion s). trü¡ cl ¡nódülo de la velocid¿d y de ¡s ac€leración cn el ifftenio r : 0. g iclor

d€ posició¡ r de l. partlcula .3 r : ¡l + rl + rx .il ¿r = + { -ó l e n 3 /l L ! v €loc idad c sr + 6 cos3tt 7i

+ 2cos 3r¡ + 2 !6n 3rt,

! h a .¿ lenc ión. = d ¿ i = r-,i -1 8 c o s 3 r¡-1 8 s c ¡l rl ¡ ¿.

h c l i r sr a¡ te¡ :0. i

,tt¿

--l

| 6Y yfr

¡-18j. P o rI ora n ro ,

Írffufo do fa r€focidadcn t = O,1/ (-rr, + @, : \/t en ¡ : 0, Viit +Fl8t: d€ la ac€le¡ación V-32r 'nódulo ¡ panicüfase m¡¡.rc ¿ lo I¿rgodé la curv¿ x:2r', r: t -U, z:3, - 5, tundo r el tidrpo. HalI¡¡ ¡úponcriLs d€ la rblocidady dc la acclcració¡en cl instúte t I y €n la dir€cciónl-=ji#*ii.:. -

VECTORIAL DIFERENCIACION

40 Velocidad = L

d¿

=

= ! ¡2r,1+ (2-4t\!

r 1rr-5)rJ

d¿

= 4l -2J

4 ¡l +(2r-4)J+ 3t

El t¡cctor unitario €n la dir€cción t - 3J + 2t

"s

+ 3¡.

atr= 1.

t -3 r+ 2 1 .

= :J..::]]].& y'qt¡2+q-t¡2+12¡2

/n

,zl-uego la componentc d€ Ia velocidad on la dirección dada es

(4)(1)+ (-2)(-3) + (3)(2) (4t-a +3¡)'(i- 3J+2t) = -------_-=-_y'14 r'A

= Aceteración -

)'-

¿

d.z

¿r

¿. = *Lr¿l+(2t-{)J+3ll d,

= at?l d.'dt

18 {1 4

1

= 4l+2t + 0 t .

en la dirccción d¿da cs ./La componcnte de Ia acel€ración (4)(l) + (2)(-3) + (0)(2) ({t + 2l + ot).o - 3J + 2t)

-i /14

/-tt

fn

alÁ

vt4

Las ecuacionespara¡tétricas de una curva C son ¡ : ¡(¡), y : Ásr, z: z(s), siendo t la longitud de C medida d€sdeun punto 6jo de €lla, Llamando r al vector d€ posición de un punto gpnérico d€ C, trar quc at/d.r es un vcctor unitario tangpnte a C, ¿¿¿ú< dv dz

El v e c to r f z :4r).

:;(ti

+ .yi + zk):;l

+ + t+

kes tangente a l a curva¡ : d¡ ) , y: y( ¡ ) ,

[

Para d€mosharqu€ su módulo es la unidad, tencmos

=,

et = re|,#f r(:.f= M,d,f 45

V

dS

dt

tts

v

(¿s J.

ya que (dr)r = (dt)' + (dy), i (dz)¡ según se estudia en cálculo. Hallsr el ve€tortangcnteunitario en un punto cualquierade lacurya x : ,¡.r16)(.r

rr + I,y : 4t '.:,-:'(á) Hallar. cl v€ctor tangpnte unítario en el punto co[espondiente al instante, : 2, (q) El vector tangente a la curva cn uno de sus puntos es

4;, =

i[(¿2+t)t

+ (r¡-s), +

0r2-6r)t]

Luegool voctortanganie unitariopcdidocs T =

s

t¿.t

.

ds

i ,

Ir

ffi

r = 1 '4S/,7 t = *.att lCa

(á) En , : ¿ Gl v6tor t¿¡rgpntc unitario cs T _

i

2tt + 4! + ({r-6)t

=

dclvcctor * l:ll El módulo

quo,como I Obséncse il

=

{t+{¡+21 /G). ,G; Qf

= 2¡*?¡*!¡. 3 3 3

y'1. SicndoA y B funcionesderivablcsdc un cscal¡r u, demostrar:

(o t

á t¡'s)

= A. P . 14. s . (t) t(axB) = ¿m tt¡t

^t*

dtt

*

*" 1! 4v

3,2 :

DIFERENCIACIONVECTORIAL

4l

(4 1.r - ¡t = rn '44):iEl4!)-:-4:-P Au

Al¡-O

-

o4E-i#@

¿g =

o+."

a.^i

^rim aü - Au a¿-{

du

\!_7

túo métorlo,Sean A = A].l+ A2l + {t,

ol = ! i,r. !,@t,

* 44.¡ ¡.dB " -

-éi)=

n = Brl + Bzt + Bsl.

{t, r ' n r =Um A¿-0 =

lim A¿-o

=

Entonces

* A2B2 + AsBsJ

= a,!#, o,'*, afft , ,#r,,

-

du

(¡+M)x(g+Ag) Aü

rfat = n''i ff+ , "*'" Jr+, I

rt.

- lxn

axAg+AAx¡+AAxAg

A¡

¿ :loo" * . f' "

= ¡"8 *!!,s

-@

Ot¡o mélodo.

l Jk a l a2 81 82

9 <,r's)= + 4u ítt

A3 Bs

Tcniendoen cuentael teoremado ta de¡ivaciónde determinantes.

Aa

A2

lL

¿-P2 d-23

du

du

A3

du

dA du

d.42 dt

¿rl3 du

BL

82

Bg

*.fi * ¿f,t

A = 5 1 2+1r j - ¿ 3 ky B =se n ¡i - co srJ,ha[ar ( a) r r , ( ólr 1<exs) ,G¡ *r O. tA,U.

= f ro."¡ ^.* , #." .

( 5t 21 + rJ -

=

lÍeoEt

Orro métofu,

¿ ¿(A'8,

,e t).(c o s rl

+ s e nrj )

+ ,senr + lors€nr -

A. B = 5r2s€n, - r coa, .

"o",

+

(10!t + J -

3r2t).(senrl _ coE ¿r)

= f1sr.- rl cosl1-ii-sen

r¡

por lo tantol

d,-6 - ;it(D r-s e n t - r c o s r) = 5 r' C o8r + 10rs€nf + rS €nt - C ou,

(5¡2- t) cos , + tl, sent

,,¿{a*t)= *d} * ff"n, .

I 5t2 cosr

J r sent

rl -Fl + 0 |

I 10, scn,

, t -coa,

rl -grrl 0 |

42

DTFERENCIACION VECTORIAL : [f¡s€nrl-f¡cos/l + (5rts€nr - r cos,)k] + [-3r'costi-3rrsenr¡ + (-lO, cosr-s€nr)k] : (t¡ scnt - 3rrcosr)i - (rt cosf + 3r' senr), + (5r¡scn, - s€nt - I l, cosr)k Otrc m¿todo. I J 5t2 t s€n¡ -cos,

=

Ax B

rl -1,3l = -r3qosri - r3s€n/J+ (-srzcosr- rsen/)k 0 |

x B) : (r' s€nr - 3r'cosr)i - (r. cosr + 3/rs€nr)j + (5rrsen,- I Ir cosf -

Ueeo,S6

@ *e.^) = n.'* * *La.t= ze.df =

2 (s . 21+ rJ - ¿3t).(1011+ J - 3r2k) =

Otro útétodo. Luego,

t . s, = Ftzf

fipilf

+f+r!

+ 1tf + q-t3¡2 =

10019+2 t +1 t B 2slr. + c 2 +t a

= 1s¡¿o + 2t + 6t6.

,/ 9. Siendo A de módulo constante, demostrar que A y dA/d, son perpendicula¡es,siempre que d\ldt I | + O. Como A €s de módulo constante,A. A : constante.

be so , ${A..A. : * #. o: ^' # ".t +

: o.

Asfnues,.l ..$ : o y A esF,rp€ndtcutar a $

40. D emosque trar * ro."

x c): A.B,f

que siempre l#l

+n.fr

.t

x c + f i' n

x c , s ie n d o A,B,c

rivablcs de un escalar u.

D€losproblemas ?(a)y7(b), 4e.fn,,c)

= e.Íufs,c¡ *

f

.n,.c

= n.tn'jf, * jf 'cl * jf .n'c df. n , , c = e. r ' f * e' f "c * /rl. H"ll"t

i,"'#'#,.

probf€ma Der ro,f,tv ,fi', fr

= -,t'¿r'¿v

d"y

-. dv

d"v

dt

dt"

dté

¿"v d'v -. Y '--; x -:-;-

dt ¿v + _i -.'-x 4t dt

u +u =Y . - : _ x .-. .:_

dv fv

da-

dt-

cll

d'v -:' ;aIta

.la¿

12. U¡a partfcula s€ mucvo de forma que su vector de posición viene dado por r : cos rr,ti + sena,t j, una const¿nto. Demost¡ar que (a) la velocidad v de la panlcula €s perpendicular a r, (ó) la

' DIFERENCIACION VECTORIAL

41

hacia €l origen y su módulo es p¡oporcional a su distanci¿ al mismo, (c) r x v : vector constant€. -ilila 1 .1 r :

df

7 - - @s € n @ ri + @ c o s o rtj

S€tiener.v:

lcos@ti + s€nr4rr], [-ro senroli -f úrcos.orl] : (sos @r)(-{, senqrt) + (s€n @r)(¿,cos úrr) : 0

luego, r y Y son pcrpendiculares, d\ dt : -Al : -t" co" tt i - @rs€na" j 77 : -@¡ lcos úr, i + sen úr, I I : ---<,,t

'lll

or)

La acele¡ación tiene, pues, la misma dirección que r p€ro sentido contrario, es decir, está dirigida hacia el origen. Su módulo es p¡oporcional a I r l, que es la distancia al origen. L)

¡ x v:

lcosúrrl + s€n@r¡] x [-@sen@tl +@cos@rll

cos @t -ú,

s€n (l)/

s€n @,

0

@ cos @,

0

:

@(cos¡@/+ s€nrar/)k : @L,vcctof constantc,

Flsicamente, se trata del ñovimi€nto de una partlcula alrededor de una ci¡cunferencia con una vclocidad angufar constante @.L¿ aceleración,dirigida hacia el centro de la circunfe¡encid, I ll"Ía-centrípera.

0 3," = 4 ro'P-4'ur. ^"+ d,t-

d I'

dt

dt

dt

1¡o"#- #'r, = ft<r"fi- XSxst = n , 4 , d 4 , * - t 4"# * 4, . s l d¡' da .ta tlt da tlt' que Dcmostrar

= ooi -

= A !l + A 2 t+ As l .

S ea ¡

0"1=

^.#

- { 4 ,8 ^ ,¿cla':+ ¿l¿'

L \e Eo A

=/E;tr;Á

r u"o3 + u"* - (l¿ - .l a :rn?tn1,,f"r'/"ee,.* ¿4" ¿A^ hd; +A2 i + As i

dA^

ei¡a/z 6l+,e1,+ Otro método.

co m oA.A = f, ft6,'l .t = ftU 't

n*.¡,= zr'# v fto.rt = ^.# fiu"t = ud/ l""e go zr,.ff=u# " n.# = n#. que si A esun v@torconstann, Obsérvcse

= 0, comoen el problema9. ^'#

--------DIFERENCIACION VECTORIAL

15,Si A = 12r2y - ra¡t+ @x!-, sen¡)j+ (r2cosy)k,hallar, +, +, +, ot oy dr' Er o,

&,uo, -

+ ^,

+, dy.

=?4, dx dy

- y*n x¡¡ + S 1,2cosT)r

!é!

(4ry - 4é)l + (y&! - y cosr)J + 2, coay g,

aa ¿/

+ aran-rsenx)¡+

&ru"r-^,

$l,2cos7)r

2,t2| + eerY - sür x) j - :2 seny) k ^2 ÓA

:--:

* j< t * v - r c o s , ) r +

]w r-* 1 t

$,o"*r,,

(4y - L2.'11 + g2ex! +y sen -x)¡ + 2 cosy I

. frrr*rt f,an -*, a ¡ - f,a,xny¡x

^O2 A

O + r2&y I ^2 dA

3'4

=

.,4,#,

=

r.2cosl | = z?"x! ! -

*,",,1_l *rrerr-senx)J- $r"2senrrr

= 4 z l + (xy{ ! + { 1 -cosr)j ^ó2A

ta,

=

,",b

=

&,*r-{,s)r

= 4x | + (zyex!¡ ¿xl 12

z2 cosl L

-

+

+ }<r;;;l-rcosr)J $(2rcosy)r

-

"*rl!

2rsenyk

zxseny I

\2

= <9* , Obsérvesequ" decir, qu€ el ord€n de la dedvac¡ón no altera el resultado. ** ' d t dz dzü", cierto, en general, sieñpre que A 'tenga derivadas parciales, de primero y segundo orden, continuas.

si SQ,y,zl = rl2z

y

a = rzi-

Q¡, = 1zy2z\(*z| - xy21+yz2L¡ iOzd (+ A) 2'

$ ;$

i

Ir J

.

z2y2z2| - r2!1" ! ! zt3 z3lt

= d 1 x2y2zz1-a2,1azt+ tfszeu

= zt2l 2z 1-

r" f

, + 3xl sz 2|

tOol = j<z"rt", t - x2ya ! + 3ry.z2ky = 4xy2z | - lat' I + lysz2 | ,t^,

Pa ra r= 2 , y = -t,z = 1 i

zy2! + yz2tr,,trattar fóel cnelpunto (2,-L,L). ¡f ox oz

= j<ur""

| - 2'!4 ! + 3!. 22h) = 4t2¿ | - 2y1I

s€obti ene t(-r)2(f)t - 2(_t)41 = 4t _ 2!.

17. Dado el vecto¡ F función de las variablesescalares¡,/,.z,,

y x,r,y

z,asu vez, funcionesde /,

?r Dp dy dF = ?E '1'y l. á ; ¿ , ,tt 7 t ' ¿ ; ¿ -¿ suponicndoque las derivacionesseanDosibles.

'óF

dz

DIFERENCIACION VECTORIAL s-Tngamos que F = Fl(r,/,¿,¡)t + FlPr,r',z,c)l + 4(',y,z,r)k.

45

Enronces

dD = dF r i + d ,F 2 l + d \k

a¡, = ,?4 [--: dr + +dr ot ot

a¿

+ a=d/ of

t $a, * ! n" , { ' ,

+

¿r. t * * *r,r, P¡ Ot. Ot

(-¡j o,

oa

dF

hp,

d.

,lay

, pa,l1

,l n " tr

pJ + 3&¡,r" ' r*r Ot

ót

dt

* P¡ * $.u,r, * 19-&, * }&r Fr,r" r$r o, oy ór dz oz dz

+

= !E r,

* $a"lr , t*0, ,!t,

* $a" * $a, * $a. ou ol oz

?r . ?rd.z.7¡¿l = ---i- . Ol

Ot

--

dt

Oa .t,

r .}s¿z <- -:-

--+

Oz da

DIFERENCIAL IEoostrar las fórmutasde Frenct-s€net@r+

: rN, (á)

{d ComoT . T : l, dcl problema9 sededuceque T .

$

+

:,p1N,

: .tB - rT.

G) #

: O,esaecir,

$

es perpendiculara T,

SoaN GIvectorunitario en la di¡eccióny sentidode $; "o,on**, $ rcrmal pfincipal, K csla cwvaturay Q: l lK.asel radio de curvatura.

e) s€ a B.:rx N,entonc #:,es , * #-t.# I-ueso, r.$:

T.T x

$:0,

x N: r x $

: rN. El vcctor N es la

*"* t n:,,

$.

esdecir,T esoeruendicular a $.

DeB.B:lscdeducequeB.$(oroblemag),esAecir,$esneroendicularaByestÁsituado en ol plano fornado por I y N, p€rtcnc¡eal planodeTyNyes perpendicular aT, esparaleloa N; luego # S Fl vectorB esla órhormal,t esla torsió\y o : llt cs al radio dc torsión. **

: -r0,.

(c) ComoT, N y B forman un triedro a dere€ha,tambiénlo fomnn N, B y T, esdecir,N : B x T,

ru"go,$:B. # +ff,rlpX

r¡-'N x r:-,

.2V '1í1 , ./¡\)/ Representar J3.*r,, y -.3se¡,i, lacurv¿.¡ (a)et !':4r y haltar

¡,

.l-. , . , , . - 1 . ,.., 'lll¡

-' '.i-.t2 :riT,ffi,}f,5'f ¿'Í?Jn:ffiifff:ffi1ux,1",":T1'o?i: E-D 1. torsióno. Estacurvae, llaña h¿ltcecirculary se r9prcf¡ta en ta figura.

I

/lr// U

+,B:,B-.r(T. , Í l* , ¡ tit

,t

Ifl|

tj

tsR

0

..1 f,l'' "T|

;*H:*#Í#r#.::ifiÍ:;:,?T?"/xi,s::1,1h::""i": w___1u n

h cie tater a ld elcilind;;;,.+ii.:9.,*...,,', ' lE ¡! ! r¡g g ¡9 rrq U4 s u [ , c r. rf f ia , L (a) El v€cto¡de posición dela cunaos dc un puntogenédco

,, ,, ,i. ,

o \

D¡FERENCIACIONVECTORIAL Ssosrl + 3 s€nrj + {rt

¡ ¿r

-3s€ntl+ScoBrJ+4¡

ds

Itil = EE"

i;

Asl puco, T

='#

*

= ,Gtscn,)t+(3.*,)t;?

=.5

= - $ se n r r + $ co sr r + fr .

$r# = $r-$* "rr + | c o a r t * f r l = - $ c o e ir - f s c n r t tf = tf# = -fr"o",rds *¿senrl jf = rn , lr Sl = l' ll¡ r l = x c on co mo x lo. Lucgo, x

= l#l = GE.*IT[E;"

Do#

= r

, soobtim€ II =:#

=* y p=*=+

= -cosrl -sotrrr.

rrr

=

= TxN

(c ) B

l- i* , ' , t "o", ál = f s enr r * * "o"r 1 t* $r - cct

- s€n,

da= dt

"o"r t * f . * r t ,

- 7N

-T(-costl

0

L.o.rr+fsenrt

=t#=

f

4 - s€nrJ) = ñcoscl

+

4

.--

4

i;s¿trrJ,obie['7=tE

t

y o=+

quoel radio de curvaturade la ca¡rvacrr¡ras 20. Dernostr¿r paramétrlassor r =r(sl, y = y(s ecrraciones =z(¡)vicncdadopo, p = k*f , 1{4¡' * (*ff'h ' ' ds2' ' ds2' ¡l s2' El vcctor de posición do un punto genéricode la curv& es ¡ = r(s)t + y(¡)J + z(s)¡.

Ln go r=* =Xt* ?"t * t * t *.

f

= ,<N,conroqucK = I

quo *,*, 21.Demosúar r\

dE

da-

,

#= #r * 8¿t * #r .

# l= /rF:

,#:

-

yaquo ,#quodandodcno'trado

,&" = p+.

d,a-

( t= i ,*= ,T - "**.= ,\

"Í : * #-'' n- ((18_-xT)* #n

g.,+'ii=;.;',,.;;,.; í. * *,

= T.((2 7 N¡B -x s t x l' * * f f n rU

-

KTB - ,ef

= T . 1 r2 rT + rs D¡ =é¡=1

+

oi.,.i, ,.

DIFERENCIACION VECTORIAL küldo

.,d*'\'

xyz

T = [(r'f

'

- \ A\ iX, \

en cuentael problrma 20, el rcsultado,sepuedeescribir€n la forma

+ (y')2 + qz"¡21-1 t t z

A''cit

rt

las primas representanLasderivadas res¡rectode r

dc -

E

h cr¡rvax=c, !=t',

,hallar(a) la curvaturax, (ó) l¿ tonión 7.

"=]f

d E rrctordeposición es r = tl + t2'1+!t"t.'' Por Io ianto, 'i = , * v1 + 2r'k

-, ,_ \t At ^

'

+ = l' dt+. ' I = yE Q t ' +( n f.@ T ' dtÁ o ¿t dt =

= r r *o

' ' n - ' t' ¡

T =ri e " =t# =t+-u l !u zt'Í,

y

ü

?t q

dt

+tt't - (\Izrl+u2u$t) - 0+z t2)(ü+

= -

olEV-

Dc (o). N=14!

-l

.2 ¿ l + (l (l-zt')i -z t2 ri - -2¿l

K¿s

1+

+

(l;-tT--

1t

Eotonces 4I - ¿T/¿' - -: fJ:A--ú!:-A -71+-lz9ds ds/d¡

tt

-q¡i+ Q- 4t2)!+ 4tl

'r

'

r!

\ \,

--F-trrl

dt

(l + 2t'\'

También, -7N = -r[-2tt

\ir-.

l

po¡rotanto, B.=rxN = lrt,o, 3-o" #"1

+ (+t2- 2\!-- Ety De aqufouc ds _ +tt

\

{rv r '\

., ,\' -, \ \--' (\' . l,,\ I ^t'

2t 2

-2 1+2É

\f,

=

HF

1- 2c2- 2c t + 2tz l + 2t' -

1

-"

+ (!=4;lt + 2tr

4tl + (4t2- 2)i = --1r;Ef-

= 0."14-t ctslcat

.ts

l.crn,o

fi

= - TN , sc obticn€ T =

4r¡

'

,-U,_ *f

0bsérvcsc que r = ?- en este caso.

E[a¡ las €cuacion$, \¡ectorial y cartisiana, de la (a) ta¡¡g€¡ttc,(ó) norm¿l principal y (c) binormal a la cuwa ü problema 22 en €l punto corr€spondicnte a f : l. SeanTe, Ne, y Bo los yectores tgngent€, normal principal y binormal en el punto dado. Del problcm¿ 22, To

o

2 !+ * . r¡b _ = r+-----¡-

'

., = -2 t-Jl 2k -----Ño

,

o = ?¡= oo -3 ¿j I -

\' /

{

DIFERENCIACIONVECTORIAL

48

los vectoresde posición del origen y de un Si A es un voctor dado y ro y r son, rsspectivamente, g€néricode A,el ve€torr-¡o cs paraleloa A y la ecuaciónde A es(r-ro) x A :0.

Por lo tanto:

La ecuaciónde la tangent€es La ecuaciónde la normal principal es La ecuaciónde la normal es

En coordenadas¡ectangulargs,para ¡ : xi * ¡j + ?k, ¡o :i tivamente, 1

y-1 2

z-2/3 2t

x-l -2

r-1

z -2/3 2'

(r - ro) xTo:0 (r - ro) X :N d: O (r - ro) t úo",¡ o

f x-t

¡,*

2 n, estasecuaciones son, , "t-7

z-2/3

(problema28, Capítulo 1). que también se pueden escribir on forma paramétricá.

24. Hallar las ecuaciones,vectorial y cartisiana,del plano (a) osculador,(á) normal y(c) rectificantede la curva los problemas22 y 23 en el punto correspondientea / : l. (a) El plano osculadores el que contienea la tangentey a la normal principal. Si r es el voctor d€ de un punto genéricodel plano y rq el vector de posición del punto correspondientea / : I, r * ro es perpendiculara la binormal Bq en dicho punto, es decir, (r - ro) 'Bo : 0. (ó) El plano normal es perpendicularal vector tangente.erlel punto dado. Luego la ecuación pedida (r-ro )' T o :0 . (c) El pla¡a rectificanteos perpendiculara la normal en el punto dado. La ecuaciónpedida es (r - re) 'No : 0.. Las ecuacionesde (a), (b) y (c) en coordenadasrectangularesson, respectivamente, 2 (x -l \-2 (y -1)+

1(z-2/3)

= 0, = O,

1 (¡-l ) + 2 (y-1) + 2(z-2/3) + 2(2-2/s) = o. -2 l r-r)-r(Y -1 \

En la 6guraestánrepresentados losplanososculador, normal y rectifrcantea la curva C en el punto P.

2s. (a) Demost¡ar que la ecuación¡ : r(2, v) es la correspondientea una superficie. A ta r (ó) _ Demostrarque ¡epresenraun vector normal a la superficie. ' o u --óv' X (c,

-: no¡mal a la siguienta Hallar un yector unita¡io superficie,siendoa > 0,

r : a c o s l l s e ny i + as€n| ]s€nyi + acos vk \o) Si consideramosque a toma un valor fijo 29, entonces r : r(ro, r) representa una curva que la ¡opresentamos por |l : ¡lo. Análogamente,4 : at defineotra curva r : r(zr, v). .d.lvariar r, r : r(¿¡,y) representauna curva que sa mueveen el espaciogenerandouna sup€rñcic^5..Así pues,r : r(¡¡,v)representa una superficiecomo se indica en la ñgura. I-a s c u fv a s u :u o,u:¡-,r,...,p€rtenecenaestasuperfi ci easícomol asr:vo,v - vb, , . A cadavalor de ay v le corresponde un puntode la superficie. Asl pues,lascurvasz : uoy v: por ej6mplo,se cortan en el punto (¡.o, vo) dc la superficie.El par de números(¡.r,v) se llaman

DIFERENCIACION VECTORIAL ¿úca¡ ú rr ECrx

49

sobrela superficie.Si las familias de curvasa : constantey v : constanteson perp€ndiculares sus puntos de intersección,el sistemacoordenadocuryilíDeose llama ortogonql,En el Capítulo 7 un estudiomás detalladode las coordenadascuryillneas.

t--idcremos un punto P de la superficie s cuqó @¡denadas son(riq, rq), como seindic¿en I t¡¡ra. El reclor Arl Auen el punto P se obderivando r respecto de ¿ manteniendo roi este vector ar/ ¿¿ en 9l -¡ :@nstante: Ero P, es tangentea la curva y : yo en dicho r@¡o- Análogamente,¿r/ Ayen P es un vector ¡4Erite a la curva ? : constante: ¡o. Como rüos vectores, A¡lAu y arlav, son tangentes ,ú .¡ punto P a dos curvas de la superñcie,se úduc€ que también son tangentesa la supe¡Ar Ar t¡ en dicho Dunto. Lueso---: r es un ' ou 7t €or normal a S en P. i -

: -as€n r]seny i + acos ¡¡s€nyi

i -= : a cos¡.lcos!' I + 4sen ll cosr,j -c

senvk k

ij

Entonces,

¿r

Ar

- ¿s enas bnv 4 COS¡l COSv

:

0

aco s 4 s e n t 4 Sen.¡¡ COSv

-4

Sen v

I

-a! cos ¡/ sen¡y i - a2sen¡¡ s€n' v ¡ - a, sen y cos u k

r(presentaun vector norrqal a la superficieen un punto cualquiera(¡l, v).

EI vectornormalunitarioseobtiene x$ divi<liendo f

oorsumód"lo,l#

. v 4 ' s e n ' v (s e n 'v + cos' v) :

* f

I, o"aooo.

( a,sen y si senv > 0 I 1 -a' sen y si senr < 0

Luego son los vectoresnormalesunitarios dados por

+ (cos¿ senv I + s€na senv j + cosv k) : * n La superficieen cuestiónestádefinidapor las ecuaciones¡ : ¿cos r s€nvel : a sentsen y, z : ccos r, de las cualesse obtienex' + y" + z' : ¿'que es la ecuaciónde úna esferade radio a. Como r : an, s€ deduceque n :c o s ¿ s e n v i

+ s enrsenv j + cosrk

f

t o ' \-,4 i' J ,!

cs el vector unilario nonnal exterior N la esf€ra en el punto (a, ,).

I

No , t z , _ t , 2 ' I l plano tangentea la superficiez:x2+y.enelpunto(1,-1,2), Eallar Ia €cuacióndellPro¡ru6rl¡5!rl.v.l4Jql'l¡Erv¿_¡rJ'wrrvlrJgulv\r'_r'!/'ñ.1.,.1,1

-l*

' r ' 2' i) l

r"'s*¿'--+L

, tn' t-t' )Seanx:¡.t, y:v,z: a¡ + y¡ las ecuaciones de la superficie.El vector dq posiciód\ú ' I fraramétric¿s \. -ú punto cualquiera de ella es | y' )k r: ¡¡i * ¡,j * (u " *

tI

l

I ,/ ,. .,

DIFERENCIACION VECTORIAL

50 Entonces

af +ov:i + 2¡tk:i -2k

Ar :i + 2 u k :i + 2k. Au

en el punto (1,-1, 2) ,

siendo

Del problema 25, la normal n a la superficie on este punto es Ar

Ar

2 k )x (i-2 k ):

" 6u:6+

":á

El vector do posición dcl punto (1, -1,2) R o : i -i

-2 i+ 2 i+ k

es

* 2k

El v€ctor de posición de un punto genérico del plaoo es R :¡i * ri * zk es perpendicular a |r, Como indica la figura, R-Re luego la ecuación del plano pedido es (R - Ro) ' n : O,

o bien, [Gi+r+zk) - (i - j +2k)l .t-2i+2i+k] : 0 es decir, -2(x - l) + 2(t + l) * (z*2) : 0, o sea, 2 x -2 y -z :2 . MECANICA 27. Demostrar que la aceleración a de una partlcula que se mueve a lo largo de una curva en el espacio-con velocidad v vieoe dada por

,= *r *4 x dtp siendo T el v€ctor tangente unitario

Velocidad v : o bien,

a la curva, N la normal principal

y p el radio dc curvatura.

módulo de v multiplicado por el vector unitario tang€nteT

v : YT dt= dt

D€dvando, DGI prob¡emal8(¿),

dT dt

dl ds

*cla

9 a r ¡ = *raa*,4

aI

=

" n *cll,

d/ r * ,1$¡

Pof lo tanto,

d¿

xuN = 4 =T

+: =N

Esto indica que la compon€nte de la acaleración en ta dirección d€ la tangente a la curva es dvldt, y la ponentesegltnla normál principal es y!/e. Esta última recibe el nombré de aceleracióncentrípe¿a.En € blema 12 v€rcmos un caso particular de este que nos ocupa. 2E, Sear el vecto¡ de posiciónrespectode un punto O, de una partfculade masarr y F la fuerzaext€lio¡ que sobre la misma; el mom€nto de F resp€ctodo O vien€ dado por M:r x F. Demostrar que M:r siendo H : t x nñ y a la velocidad dc la partfcula. M

)) Pero aú ;(rx¿v)

=

,l

TXF

= ¡xf ¡rnv) dt

r x fi{nt)

segúnla ley de Newron.

4,^,

¿ ¿r¡v ) + = rx t (, vxmv = r x;(nv)

¡ I .

es decir,

It

+ 0

u = 4¿ i r r "r "l = *att

l¡

Obsérvesoque la fórmula s€ puedc aplicar tanto cuando nt s€a const¿nte como cuaJrdono lo sca, El

I

-l

,l

DIFERENCIACION VECTORIAL

-rlui[Ed

cin¿tic¿ y es el montcnto dcl fmpctu. La relación expresa que cl momento aplicado es igual del momento cinético f,or unidad de tiempo.

-rro

sesogareral de un sistemade, partfculasde masasnr,mr,..., d sist€mado fuerzasexterioresR, F¡,,..,

-

r dt aDt e es M :

mny vwtores de posiciónrr, rr,. . ., rn

F,, el momento cinéticoresultantees H:

b ¡ :t

o Z a k X F ry s e \ ,on¡.^. ^,'- " ' - - 4! ^" dt' & -l

^rr*x

v,

un vector A : A,i + A,l * ,4¡k referido ¿ de coordenadas ¡/z de origen O. Su derivada --

rnd.r a

tiempoff t + # t * #k.calcular ""

de A en un sistemade coordenadasXfZ de oriO- ¡abiendo que el p¡imer sistemagira con respe{to que se mant¡enefijo en cl espacio.

in -rdo, deA ¡especto de # l, t | # l- *" lasderivadas " b fijo y móvil, res¡rcctiva .1ente,demostrar que -

ür v€ctor (o tal oue -!mas dA t

dAt

¿ ; 1 .=

7 ;l

tT

ll

+a ,xA

I

l4tesentando por D, y D,' los operado¡es deriv¿da sn los sisüemasfijo y móvil, respectivament€,dlmosr¡¡ la equivalencia =

D¡

-

+ otx

D,

Ea la rotación del primer sisteria respccto del segundo, los vcctores I, j, k varfan con el tiempo. Por lo mto, la derivada de A es

( r)

* ='#, - * r

, *r

+ A, # + e, ¿j+ 4f f

es d€cir,

'ilr= # [ * ',# * n ,f,. n " #

{2)

Como i es un vector unitario, di/d, €s perpendicul¿r a i (problerná 9) y, en consecuencia,está situado rD el plano formado por j y k. Luego,

(3) Análogamente,

(4)

(t

dl dl

dt dt

dk dt

aJ + c'k a¡k + dri c"i *

a¡j

.i : o. nero Derivando i .i : 0, seobtienet. i.fi: $ + ff luego o. :

a¡ de(l), t

#.t

:

c, de (i);

-6t.

Análosamonte dei .k : o, i. dtÜ+ fi.u: Porlo tanto, ol+"*, a4:

*:o"t-oJ,

o, v d ¡: - a ¡ i d ei,k :0 , t.ff + a j.* : o

S:-..i-".t

DIFERENCIACION VECTORIAL ¡4t !+ td J * 0 4 != t_ A .-3¿, 2d¡ dt

d2A s' )l + (d,!A r- dsl s)J + (d2A 1+ ds42|k

l \42-

'

qr,e se puedeponer en la forma

Haciendo d," =(D!, -ú2=o)2,

%

-da

dr

Ar

A"

A3

ú7=o4

el determinantese reduce a

rjI (D1

(D2

Cü3

A!

A2

As

Siendoar = @11+ (D2! + ¿c'1'{ , La magnitud¿, esel vecto¡velocidadangulardel sistemamóvil pecto del fijo.

(ó) Po¡ definición, DIA = # I Dra = De (a).

dA l

;' l"

= ¿"r¡nu¿uen cl sisterna ñjo = <lett"uou en el s¡stemamóv¡l

D.A

= D^A + ¿rxA

de donde se deduce la equivalencia

=

(Dñ +orx)A

D f = D n+ rnx.

30. En el problema 29, hallar: (¿) la velocidady (ó) la aceleraciónrespe.ctode dos sistemasde refer€ncia. (a) Seael vector A del problema29 el vector de posiciónr de la pa¡tlcula. Aplicando la notación del problema 29 (¿) se obtiene,

Drr : (Dn +Grx)r : ,¿r +.o x r

(1) Pero Dt¡ :

yDÍ :

velocidadde la partícula r€spectodel sistemafijo,

D^r :

tÚn :

yelocidad de la partícula respecto del sist€ma móvil,

o.¡x r : v¿r :

velocidaddel sistemamóvil resp€ctodel fijo.

Entonc€s(/) se puedeponer en la forma

(2)

fttl :,trl ñ+@X f

o bien, (J)

\tÍ:

\D ñ + 1ñf

. . Obsérveseque los papelesde los sistomasmóvil y fijo son intercambiables.En efecto, s€ puede sid€rarque el sistemamóvil p€rmanecefijo y que el fijo se mueverespectode aquel. En esteúltimo no hay más que cambiar el subíndicenr pot f y a por -@, ya que el s€ntido de rotación relativa vierte. Haciendo esto en (2) se deduc€ Ytñ:

\oÍ-tt

que coincide con el ¡esultado anterio¡.

'r¡-i\

Xrr

o bien, Yrrl:

v r l a +o

Xr

DIFERENCIACION VECTORIAL

¡¡ b

53

& la partícularespectod€l sistemañjo es Dfu : Dr(D¡r). Aplicando D/ a los dos miem{L r¡, !'¡.¡¡ndo en cuentala equivalencia demostrada en el problema29(ó) rejulta -Tfñ DADtr): Dr(Dñr+.,t x.) : (D,+ox)(D,¡+o xr) :

D^(Daf +ox¡)

(D,r + o x.)

+oX

: Dz^rI D,,(o x r) +o x DDr+o x(o x ¡) Dlr : D2^r+ 2@x Dñ¡ +(D-or) x r +o x ((,, x r)

rb-

Dlr :

S.z¡ aPl^

E¡oces.

"^

I res-

Dlr

:

aceleración de la partícula r€sp€cto del sistcma ñjo,

:

aceleraciónde la partícula respectodel sistemamóvil.

2@ x Dtur+ (Dno) x ¡-l-o

t :

x(o

x r)

acele¡acióndel sistemamóvil respectodel fijo

an lo que

attt :

tdñ + añl| .

En ñuchos de los casosque se presentanen la práctic¿,o es un vector constante,es decir, se trata & un movimiento de rotación uniforme de velocidadaogularconstante,En estascondiciones,Daq, : 0 y t.t

:

2<o x D¿lr + o X (r, X r) :

2.,t x vñ + o X (G, x ¡)

l,¿ magnitud 20, x tn s€ llama acelercción de Coiolis y o x (.u x r) es la aceleración centrlpeta, Las leyesds Ncwton solo son válidasen el casode s¡srer¿¿s üercrales,esdeciq aquellosque o son fijos, . e¡ movimiento, respectode ot¡o fijo, es r€ctillneo y uniforme. La Tierra no constit¡lyeun sistemaiÁcrclal. por lo cual, es necesariotener en cuenta las fuerzasa que ello da lugar (corioli!, etc.) al efectuar átulos muy precisos.si la masa M de uns partícula €s constante,la segundaley de Newion adquierc b forma familiar

.4

MD2úr :

F -2M(t"

x Dnl) -

Mla x(o

x ¡)l

ca dónde D' repres€nt" dldl e u\ sistemá ligado a la Tiorra y F es la resultante dei sistoma de fuer¿as ^ la particula desdeel exterior. Los dos últimos términos del scgundomiembro Galment€aplicada sobre & (4) son despreciables y en la mayoría de los casosno habrá necesidadde tenerlosen cuánta. La leoría de la relatividad de Ei¡stein ha modiñcado ¡adicalmente los conceptos de movimiento absoluto y, como consecuenciade ella, las leyes de Newton están hoy en día en estado de revisión, perfeccio¡amiento o adaptación.

Problemas propuestos l En do R: Sot

e- t i + t ¡(t'

(a) - i - k,

+ l )i -ta g ,k ,

(á) i + 21, (d \/1,

..

dR

h a l l a r \a) I, @) 1/ s

,,. drR

ro) ZF ' \c)

",l#l

para¡:0.

llallar la le-yde velocidadesy d€ aceleracionesde una partícula que se mueve a lo largo de la curva x : 2 sen 3r, = : 8r. Idem, de los módulos do Ia velo€idad y acelcración. -¡ 2cos 31, z 5 o /. v : 6 c os3¡ i - 6 s € n3 t j * 8 k , ¡:-l 8 s € n 3 f i - 18cos3ti , Ivl :t0, tl sl :18 Hallar ef vector unitario tangenteen un punto de la curva x : ct cos@t,y : 4 sen@r,z : b, síeadoa, b, e, -q n * n r/.rti + a @ c o s ú rrt+ók constantes. .Sol,

SiendoA : ,¡ i - rj + (27+ 1)k y B:(2f -3)i*f

-rk,

hallar

o I o' n¡,b { <t " R).G,* tA+ Br,(d)* (^ +lpara, : r. "

sot (a)-6, (ó)?j + 3k, (c ) l, (d )i+ 6 r+ 2 k

-r'F---- ¿'

-

)¡

D¡FE¡RENCIACION VECTORIAL d

35. SiendoA:sen ¡¡l + coszi + ¡k, B:cos ¿i- senrd- 3k,y C:2i+3j - k, hatlar (Bx C)) ¿(Ax Sol. 7l * 6j - 6k,

36. Hallar *".*

siendoAyB funciones de¡ivables de¡.

-#.B)

.io/.

L'

^ #-#.

37. siendoA(r):3¡¡i-(r+a)t+(¡i*2tkyB(t:son,i*3e-'i-3cosrk,frattar${,1

x n)en

:

Sor. -30i + l4j + 20k

: 6, i - 24t,i+ 4 sent k, hallarA sabiendoqueA : 2i + ty 3S, Siendo $ + : So/. A (r! -, + 2)i + (l - 2r.I + (f - 4 sent)k

: -i - 3k en, : O,

39, Demostrar que r : ¿-t(Cr cos 2t + q s€n 2r), siendo Cr y C' vectoresconstantes,esuna solución de la ,ítr

d i fe re n c i a l *

)¡

+ 5r:0.

-r;

40, Demostrar que la solución generalde la ecuacióndiferencial fr tes. es

+ alh :0,

+2"ff

siendo @y ú,

(a) r: ed(C, ¿ { "'-,' l Crs-y'-"'-or r) si or - a.¡!> 0 (á) r: ed(Cr *n 1/ a,-a, t * C.cos y'7Z7 t) si o¡-úrr < O. (c) r : e{¡(C1 + C¡r) si a'- ú¡r : 0. ' siendo Cr y C! vectores arbitrarios constantes. d2¡

(a )r 4 1 .R e so l ve # -O So/. (a)r: 42. Resolver S

i¡

¡tz¡

¡tr

d,r

*- - 5r :0,( ó) iV + z *- *r :0,( c) fi

Cr¿ú* C,B-t,(b)t:e-'(q+ :*,#

: -t.

+t :0.

Crr),(c)r : Cr cos2f +C'sen2t

Sol. X:

C,cost + Cr senr,Y:

Crsenr-C¡cost

43.Siendo A : cos h^tt^,-T, +, +, ¡/ i * (3xy - zx')i - (3x* 2y)k, a^

S"l. ;:

-J, senxyi+ (3,-4x)¡- 3k,

atl : -y' ax,

'./.

#, #,

;+

AA

t

fi:-xsanxti+3xi-2k,

ae{ ay,:-r'cosxli,

.. cosxy i - aL

i

a,A ¿'A -Ax ay : -$il

: -1xt cosxy +'e¡¡

A'

¡14.SiendoA : xryzi-2x2. ! +xztkyB:2zllyi-x*.¡ltallar -5fo; (A x B) en el punto(lp, Sor. -4i - 8¡ ,15.SiendoC' y C' vcctor€sconstantesy I un escalarconstantc,demostrarquc H : ¿-¡¡(Cr sen ll * C¡ parciarc" esla sofuciónde la ccuacióndiferencial en derivadas ff 4ó. Demostrar que A:

^^.t@ <t'r l c ,

'"'

satisfacc a la ecu¿ció "$

;

* # '/

:o.

, siendo poun vector constante,ar y c escalaresconstantese r=

*++:

+ +

en Estaccuación seuülizamucho

GEOMETRIA DIFEREI\¡CIAL 47. Hallar (a) el vector unit¿rio tangonte T, (ó) la curvatura 4 (c) la normal principal N' (d) la binomal torsión z de la cu¡vz x : t - t 13,l : t,, z : | + f.13.

(ü) ¡(:a+}

rr)B :

('I-l)¡-?j+(rr+l)k

+ t') ^/-2(r

DIFERENCIACION VECTORIAL ü

c$¡cio visne dada, en función de la longitud de arco s, por las ecuacionesparamétrigas x:

ú,1 r = -'zr¡

a rc ta g s ,y : l l 2 \/z l n (¡' *

G, f =

-(r-;:_,J'v¿sr

¡1 ¡ = f-!-:-..:á"JJ t rt

l ), z:

r-arc

tagr

, ¡r,

d\¡

@ o="É

;+

u¡ p= "';,i,

¡ cn la cúbica alabeada¡ : I, y : t,, z : t'

*=@r -iP*t-,

(9s1+ 4¿2+ l\3t2 '

3 9 r4 + 9 r2 + 1

que la torsión €n el caso de una curva plana gs z : 0. que el radio de curvatura d€ una curva plaDa dc eeuacionesy : f(x), z : 0, es deci¡, rfla curva

,,,|lÚco et planor/ vienodadopor o = l\'g'fl"t' r ¡ : ac os r ¡ l+ ós€ n rl e l v e c to rd e p o s i c i ó n d e l o spr{l tosdeunacurvay4yóconstantosposi ti vas, l¡ curvatura y el radio dc curvatura de [a misma. Interprüar el caso en que a : á. qbl si ¿ : á, la curva dada, que es una elipse, s€ transforma en una - -:; - - (a'scn'r + b'cos' u)'t' -e ci¡punfe¡encia de radio a y radio de curyatura p : ¿.

--

oue la curvatuf¿ do ta curva r

ü

vicnedadopor i< = - d0

&rivadas con rcsp€ctoa ,. Demostrarque 7 = !:!r! -

lix Í |"

I

: o

quelasfórmulasdc Fr?net-serrcts€pu€d€ncscribirenla forma f; x B y hallar o. ,9o1,r,¡ : ,T +,(B

on lacurvar:

'

i:T;t ,

xr,$:.o -c"

x N.4 'd s

ta que tos punrosindi-

lrl

r(r).

+.*,*

si et parámeto , esla longitud de arco r, d€mostrarwe r = 4!-f,!!-jl

(d- ¡/ d; \-

que <= x r, demostrar

ÉadoQ:r

Q.¡

en la curva.r-- 0 -*n0, y: I -cos 0, z :4w¡¡(012). (3 *+cos0)cos0/2 (3 0 seneP cosd) cos0/2 +Zsenssen6Jz + 2 -------------o-¿cosot ^ r: 9 1 . x:T t1/ ,-:-:------ 'É,r\ 12ms0-4

Edlar ry

" t

,,- LI

y : z : t * ? Razonar la respuesta. EAllar la to$ión do la curva ¡ : #, 1=T' sor. r : 0. La curva cstá situada en el plano x - 3y + 32 : 5. Demostra¡ que las ecuacion€sdc Ia tangente normal ptincipal y binormal de la curva r:r(f) ron, rcspoctivamcnt€, r : ro + tTs, t : re * tN¿, r : re + rBo, siÉndo t un parámctro.

( . el punto t:ro

Hallarlas€cuacionesdela(a)tanepnle,(ó)normalprincipaly(c)bi¡ormalalacurva¡:3cosr,/:3sonr, z : 4t en el punto corr€spondiente z t : tr,

DIFERENCIACION VECTORIAL

.sot.(¿)rangen t e : r: -3 i* 4 " k + t (-|i (á) Normal:¡: -3 i+ 4 r¡+ t i (c) B inorm a r: r: -3 iia z i+ r{ * t -* -)

* )" 0 " " ' x : -3 ' v -- ] ' ',"-u+ ' I ó x : -3 + , , v : 4 " , z : o ' 6 x : -3 , v

:+' + !t,'

!t'

:}t'

:3t - !" y ó 1 . Hallar las etuacioncsde los planos(a) osculador,(á) normal, (c) rectificante,a la curva x (a)v-z z7: o'( c\ l :0' (ó)y + S ol . + l . a r: p u ntocorréspondi énte ,:i r+ r' e n e l : r(a' v) vicnc dada por 62, (a) Demostrarque la dif€rencialde la longitud dc arco en la superficier ds2 = E du2 + 2Fdu¿v + c¿t)2

siendo tr =*.*

=,*r,

"

=*.*,'

=$.$ =,$r.

(ó) Demostrarque la condición necesariay suñcientepara que el sistemade coordenadascurvilfneas ortogonal es que F = 0.

63. Halla¡ la ecuacióndel plano tangentea la sup€rficiez : x/ €n el punto (2,3,6)'

Sol. 3x + 2y

64. Halla¡ las ecuacionesdel plano tangentey de la normal a la superfrcie4z : x1 - y' en el punto (3',1 So l . 3 x -y

-2 2 : 4t x : 3t' l 3, y : 1 - t' z : Z-2t

},8

65. Demostrarqueel vectorunitarionormala la superfrcier: ¡(¿,v) cs n = t fi{', _ {EC F'

siendoE,

deñnidosen el problema 62. MECAMCA +.G' + 40i + (8r - 3¡¡)k' siendo, : 66, Una particulas€muevea lo largode lacurvar:(t'-4f)i sn el instantet : 2' y su aceleración de normal tangencial los módulosde las componentei So/. Tangencial,i6; normal, l?,1. ¡, el radio de 67. Demostrarque si una particu¡areco[e una curya con ufia velocidadv y una aceleración .! de la trayectoriaes Q : -r,^.1 6E. Un sólido os atraido hacia un punto fijo O con una fuerzaF : f(r)¡,llamada fuerza ce rul, sierl'do de posición del sólido respectode O. Demostrarque r x v : h' siendoh un vector constanle' el mom€nto cinético es constante. 69. Demo3trar que el vector aceleración de una partícula que se mueve a lo larSo de una curva en €l situado siempreen el plano osculador' plano 70, (a) Hallar la aceleraciónen coordenadaspolares(p,{) de una particula que se tfuev€ en el q? iól ¿Cuálesson las componentesde la acéleraciónparalelay perpendiculara

so l .ta )i = l <i - pó' ¡ "o"ó - @ó * zpó1..nÓlr , [<i- pó' ' ¡*n{ * 1pP*zbólco.Ó) t '; $\ - Pó2, Pd" zbó

l: [. J \^

t.

Capítulo4

1 5"

Operocionesdiferencioles Grsdiente, divergencio y rolocionol DIFERENCIAL YECTORIAL NABLA. Se representapor V y se define por -EIADOR

r = rP * l + - 1 3 *p * 3¡ v = 3t ot ot oz o, ot o2

vectorial goz¿de propiedadesanálogasa las de los vectoresordinarios y es de gran utilidad ¡lkación de tres [ragnitudes muy importantes en la práctica denominadasgradlente, divergencia El operador V se le conoce más comrlnmentecon el nombre de operadot nabla, GfADIENTE. Sea la función 4{x, y, z\ definida y deñable en cada uno de los puntos (x, y, z) de cirta región del espacio ({ deñne un campo escalar derivable). El gradiente de {, representado o grad {, viele dado por

*3 *F v o = <ou3¡*3¡ * ro = Pi ¡ *? ór oz or oy oy óz que V{ define un campo vectorial, l: componentede V{ en la direcciónde un vectorunitario a esigual a V{ , ry sellamr derbadade Q dirección de a, o bien, derivadade ó segúns. DMRGENCIA. SeaV(.r, y, z) : Ytl * Vrl + ytk una función definida y derivable en cada uno puntos(.x,y, z) de una cierta regióndel espacio(V deñneun campovectorialderivable). por V'V o div V, vienedad¿por La divergenciade V, representada

V .v = ta¿t*f,i,*v\.ru,t,u.t

9!, ?¡

t 4rt

I ¿v2 + dv3 7z 7y

lr rnaloglaconcl p¡oductoescalarA'B : APL + AzB.* 1"8r. AsimismoV'V + V'V. Obsérvcsc ROTACIONAL. Si Y(.r,¡, z) es un c¡mpo vectorial derivable,el rotacionalde V, representado V x V o rot V, vienedado por

vxv

=,*,.*, lt

+ 3 r)x (lz . t o2 J

a - 1. tu la' l, lv'

I o

6; Y.

+ V -t + Y . \ \

> *----'-'

GRADIENTE, DIVERCENCIA Y ROTACIONAL

a

a

d

7z

ú

3r

i-

a

-t dl

o ' lj

-l

v, v "l

v

7r v1

*

' ¿v" 'oy

al

oY ll^ V2lI

.¿ v. %tu oy

- *' ".,*- *,t

a

Obsérveseque en el desarrollodel determinante,los oPeradores $

oy

Zndebenp receder a \, V",

FORMULAS EN LAS QUE INTERYIENE EL OPERADOR V. Sean A y B dos funciones riales derivablesy { y r¿ funcionesescalaresderivablesen todos los puntos (r, /, z) de una regi espacio,en estascondiciones, srad(é+ry') = cradÓ + sradú n 2. V.(n+S) = V.t +V.B , o bien, div(A+B) = divA + divB = VxA + VxB , o bien, rot(A+B) = t'ot A + rot B t 3. Vx(l+¡)

!o

I. V@tr/,) = V{ +V{,obien,

V .<d a l=( Vó) .a+d( V.a) i

5. V x(óA ) = (V ó )x A + @1 V x A 7 V .(axB ) = B . (V x a ) - a . (V x B ) 7. V x (ax B ) = (B . V )A - B (V . A ) - (a ' V )B + a (V ' B ) V (a.s) = ( B ' V )a + (A . V )B + B x (V x a ) + a x (V x B )

- 69.

= ^t4- {4 . {4 v.1v4¡= v"6 ' 722 7x2 - dy' -2?2¡'¡.2 siendoV'f7

't"n .

+

. #

;?

el operalorde Laplace.

V x (Vó) = 0 . El rotacionatdcl gradientede / escero.

/ \\ ú11. V. (V x A) = O. La divergencia del rotacionalde A escero.

/,t" tz.

Vx(Vx¡)

= VfV.al - V'e

parciales continuas' derivadas En las fórmula9-12,sesuponeque { y A tiene4segundas de referenciar¡z y INYARIANZA. Conside¡emosdos sistenasde coordenadasrectangular€s al otro' girado uno resp€cto (figura adjunta) con el mismo origen O pero con Las coordenadasde un mismo punto P del espacio son (x, y, z) y (x' y' z') respectode cada uno de los sist€mas.La,secuacionesde transformaciónde unascoordenadas en otrasson l ¡x

(.¡)

+ l py

(', t , , )

+ l oz

l 2 1 x+ Ioy+ l r" z \1 x + \ry+ 1" " ¿

los cosqnos errdondeI*, j, k : l, 2, 3 representan de .n,¡l y z directoresde los ejesx'. y! y z' respecto

i

*,t \ t'' G..\ ¡iL

.l\

t

I

CRAD¡ENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

5i los origenesde ambos sistemasde coordenadasno coinciden,las ecuaciones de trans_

rul, u2

x'=

Itx

+ l pY

T'= zt =

lnr

+ I22y + l,a z 1- lef + l¡¡z

lstr

+ l sz

* ai

,oL +4

las coordenadasdel o¡igen O del sistemaxyz r.sqcto delx,y,z,. nes de .transformación(,1)definen.unarotaciónpura y las ecuaciones(2) una rotación generalde un sólidortgido es una tiastaciOnieluiaa Oeuna rotación. t¿s 3l):li-i"*. mación (1) se denomina rambién trunErormaciónortogonal. una transfórrnaciónltñ;iü * tadsformación afín.

ioi) I'n es t

1ñ

l/

:l^11y::9i "::it1

de,punro,o campoescalar4G,y,"), particularizada en un punto

a¡r¡nlqo.Así.po;;je;p6.i;;;;;;;;; A,i:1?^1191":l:-d",1":.g3lg.',"di' z)o,(x', di fo;," t,'..z')delmismo,

ffi;;

dy",i?i;,;;t;ñ;;;ffi;; 1.j":-"::lttotfrr, d" coordenad¿s (x; y, lz) y.g,(x^,, a remperatura temperaru-ia \:.f¡¿ det lnlrnó punto ! 9 \x ,y , y,, z z,)r lla

:-",: !T,f .t . :

mi smo iúnto de ". á" coordenal respecto de otro sistema de referencia, ó(x, y, z\ -_ ,f,(r' . l', * z') nécesariamenle. Si ie ''

retacionaáal'i, ú(t,.y,)-: g'(x',y',2'\estando í,i'y r'';:

ffit.iltTiltt:;::

(l)^oo (2), tación (1) (2.),la.función y, z) la función glx, z't es es tn invarianti invarianti resf*io óLx,y, resrr.r:í.,d; ¿^"dicñtt;ansformación. ¡¡nr,o r¡qncfnm¡¡ix- por D^.

!_+,rl,f + z't,

- lt

z2esinvarianrerespecto de la transformación dá rotación(1), ya q;; ;;+ t;+

""

Sogamente, una función vectorial de punto, o campo vectorial A(x, y, z) es vrL inva ante A'(x' , y' , z'). Paraello es necesanoque h¡- ;) + A2@,y,2)i + AsQ,y,z')tr, = A:e',,t',i)í + Alrfr',y',lli'+ l',1x,,¡,t¡tt' A\(x,,y,z)i cepltulos 7 y 8 veremos transformacionesmás generalesy ampliaremos los conccptos¿nteriores. r puede.demoslrar (problema4l) que et gradientede un campoescalarinvariante.. un *^odil inva¡ianterespectode las transformacione s (./) o (2). Análopmente, la ¿iuergen"iav et r;añí"| -rrmpo vcctorial invarianteson invariantesrespectode dicbal transformacionÁ. .a

Proble¡nas resueltos yx' bdo

d(x,r,z) : 3xzy- y'2,, hatlar V ó (o glad d) en el punto (1, -2, -l).

vO = t3-i r5a j + !k\G,ry-7",,¡ o, oy oz

= t* o"'y -y ",'') + i ftol r- 1 3 , " ) + r , $ o , ' r - t " , r l =

6'r i

+ (s'2 - 3f z2\i -

2y3zl

6(1)(-2)i + {¡(t)"-s(-z)'(-l)'h - 12i- 9j- l6k

-

2(-2)3(-l)r

60

CRADIENTE,DIVERGENCIAY ROTACIONAL

2. D€mostr¿rque(o) v(F + d) : VF + Vc, (ó) V(FC) : .FVG + G VFsiendo.¡cyC funcionesescalares vablesdex,¡yz.

(o )V (r+G)= rP ¡ r P¡ *3¡ lr ¡ r cl o, o.t oz ;) l;;(r+c)

+ Jú(F+G) + I (F+C) ?:

¡$Ot *¡$**S*rF oz Aj

* rS. rS O, Ot

rP * ¡ $rOyuF ox (l+

Oz

)¡ + i-

oz

ot

+k+)F

+l+

Oy

+

Oz

+ i-

). ay

oz

). + k-

oz

rr3*¡P*¡3lc oz Oz Oy

= v¡ + V c

= rP r *- d ¡ . pr ,lr ncl (¿ )V (F G) ot oy az = P ," " t, ox

+ Sr Fcl¡ + plr c¡ h oy oz

. r¡1G-cPr¡ * r ¡ S * c Pr ¡ Oy oz oz Oy

= (F++ c g ) r Qt

Ot

= ¡rS i - F ¡ - F r r ¡ o, oy

+ c1$¡+$¡ ot ol

oz

*$rr = rVc+ )

(ó)é=l

3, HallarVg siendo(¿) ó = fn I r l,

(a) t=rl+yt + zk.Entonces lrl= y' * + y2+ " 2

y

cVF

ó= Ln lrl = irn(r'ry'*"'\.

!

= li tnp2 +y2+,2¡

ig

= á{rfr r^(x2 +r2+ 22,* l}n{,'.ty'rr") + t& n@'+y'+""\} =

2' !J, z \r;;+ -./ 4..2

r¿l Ve = Vtlt

'

2y l r\7+ 2,

,

2z x rrrr-rtr" I t

=

xi,Jl:4 Zry4/,

¡

= Vt = P {1,2+rt " ¿¡-tht, r/_ V x _ +y - +z ,¡

1/2 = t&e. *yrr"")- t/z * 1fi¡"2+"t¡ r")-,/' , x!@z+rz+"2\= | I+ yz+ ," )' " h aj l ¡" 2 _ -

-z l -y J -¿k G2 +,/2 + 22\312

r jem os t r at que Yr

fr

tt

'i

_r _ -

+ 1\-!62+ y2+ zr)-" /" zyj

to

1 = n-2¿ nr r. ----

r-

-;

n

V G2 +y2 + z\n/2 *

v

.1 ,

-(t!

-

+ x{-}1,2+ y2+"r l- "/ '2"}

i]

{p " *y , *" r ¡ " / t

}

*

u! {a',r' ' "'r"/'¡

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL a:.+?-12+z\r/2-1uj .;-,2.2 2\'t / 2' !

+ t!

kr =

t :,'9-7 ,

+ ! llez +rz, *.,n¡z-, 4j

nr n- ' ,

+ ¡{\¡f

+y"r"")n/r-,2,}

+ zk) 4

qc si r : rr& sicndo r! un vecto¡ unitario en la dirección de r, entonces Vr¡ : ,r' -t ¡r.

lb

qE V { es un vector perpendiculara la superficiol(xy,z) : c, siendoc una consnnrc, ¡: *,

b ic

Á * yi + zk el vcctor de posición de un punto genérico P(¡,Jr,z) de la superñcie. Entonc€s dr - dzl ..At^ situado en el plano tangsnte a la superficie en P.

=

**

Ja. ch :0

-#*

=o * # 0 " = o , o u ie n tSr *$ u r .r r ,t + d y!+ ¿ zk) - ffr

de forma que V ó es perpendiculara dr y, por lo tanto, a la superficie.

: 4 en el punto (2, -2,3).

Ector unitario norm¿l a Ia superficiex'y l2xz

3t

:- 2xz) : (Zxy J 2z)l f ¡'J * 2¡k : -1i + 4i * 4k en el punto (2, -2,3).

lrÉorunitarionormalalasuperñcie = -{l!$. r'e2f *G'f -Gf u¡itario normal el*t-

= -1, * *'r. 3 3 3 " f. a" fo misma di¡eccióny de sentido contrario que el ?.| - I

h ecuación dol plano tangenle a la superficie2xz. -3xy i (2xz' - 3xy -

4x\ : (/z' -

- 4x : 7 en el punto (1, -1, 2).

3v - 4) i -

3x I I 4xz k

a la superñciee¡rel punto (l, -1, 2) es 7i - ¡j + Af. I¡ ccuaciónde un plano que pasapor un punto cuyo vector de posiciónes ro y es pefpendicular al a I N es (¡ - ro) . N : 0. (C¿p. 2, Prob. 18.) Luego la ecuaciónpedida es

(xl + rl + zk)-(t-j

+ 2k)l'(7i- 3j * 8k) :6

7(x- r')-3r¿ + 1) + 8(z-2) :0. a(x, y, z, y í(x * /x,y*Ay,z!/z) las temperaturasen dos puntos muy próximos P(x,y,z) y Ax, y{ Ay, z* Azl de una cierta región del espacio.

Lbrpretar flsicamente la magnitud:y c¡ ent¡elos puntosP y C. Ealfar lim 4:!! ¿r_,¡ as

dó -u e m os üarquc - ¿ :

ats

-

é(x+ ¿x' y+ Áv'Z! lzJ - óG'v'z)

siendo/sla distan-

e interDretarlo fisicamente.

.. d r ae'A ,

Como / ó esla variaciónde tomp€raturaentrelos puntosP y B, y /s esla distanciaentredichospuntos, ¿ó por unidadde distanciaen la di¡eccióny sentidode P a 0. repres€nta la variaciónde temperatura ;:

GRADIENTE, DTVERGENCIA Y ROTACIONAL (ó) S€g¡tn sc $tudis en dlculo diferencial,

Aó' O r=úr '+Ar Oa

+ ir Ay + +A¿

+ infinitésimos dcordonsuporiora &,$

y A"

aó& ?ó4, .. Aó = .. aó4, 'iiE 'á;& AToG A%tE

Por lo tanto,

dó

o bien,

ds

aé;dx+ <E

d3

aó dy qf

d"

t

@dz E;i]

¿ó ¡cpros€nt¡la v¡riación ds tmpcra¡¡ra con rcspcctoa [¡ dicb¡cb rl punto ¡ co d, sentfulohaci¿ O, S6 dmomin¿ taú¡bldfl dertvafu erccciotul dc í

aó d, ,-, ¿ó _ aód, . dó¿f *. Éd4.¿z 4 dt (")d" d , = 6.aó. 6;d" * q i ; t + 6 t + t ' r ) ' ( ir + - t t + ' E r )

dz

v o¿a.+. dt

dt

Como osutr voctor u¡itario, VC' A ¿ unit¿rio

es la compoocntsdo Vl oú¡l¿ dircetón dc

9. Demostrarquc la máxi¡u va¡i¡ción do L dBd€cir,l¡ derivad¿dfu¡ccion¡lnáxin¡, c i¡rnl al y ti@o lugar co la dfurcciül do Gstowtor. ¿t*

Sogim el problcma 8(c),#

: rl'fr

csh proi,eeióndÉVro L

+ . Bcts

máximacua¡do V I v tcneafe nisoe dtuccción.Luegocl mÁrimo vslot * f; * y ción do Vl su móduloos I Vl l. 10, Hallar la derivad¿ diroccional da ó xlz 2l-t-2k.

j ó : :

* 4xz' qt el punto (1, -2, -l)

* prodlp m t

y €ú la dlrcoción y.¡,

9(x'yz * 4xz) : (Zryz + 4z)l + x'zi * (¡? | 8¡:)t 8l - t - 10Lon ol punto O, -2, -l).

El vector u¡itcrio Gola dircccióndc 2l - t - t es

=fr - á1tr - 5 r

l=

La derimda podfulacc

v{.r = ( s r - J - r ol) . ér - } r - r=z € rl Como c6tevalor €s positivo, C aumcolsen dicha dirección.

-+-+ - +

ll. (a) Halla¡ la di¡ecciónsog¡nla cua¡os máximala deriv¿dade la funclón C - rr y u¡ en ol punto (á) ¿Cu¿tes el módulo do ostevalor máximo? vl

: v(¡!z) : --4i -,{

Segúacl problcma9,

Lryz'l I x'z'| * SxUz'L + l2l Gnol punto (2, l,-f).

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL L -rirda flo

cs máxima cn la direcciónvC : -4t-4t dc €stc má¡ir¡o as lY-6¡ :1@lp¡llj2¡

d {ogu.loquefornanlassuperñcies x'*r'* E irüo l¡ uoal

* l2k,

:lne

: n,zt.

y z: x' +),r_3

z.:9

en ot punto(2,_1,2).

que forman las superñcicsGnel punto escl quc formanlas normalesa las

superficiesen dicho

¿ x' + y, + z. : 9 cn ol punto (¿ -1, 2) c.3 V{r:

V(¡'ly't

z') : 2x i + 2y| + 22k : 4l - 2J+4t

l¡ oorm¿la z: x. I yr-3, o bien,.x' I y.-z VC¡ : V(xr+ y,-z) (Y¿r) .(V CJ llV

:

2xl *2yl-L

:3

cn€l puntoe,_1,2\ es

: 4¡-2r-k

ó, I lV dr ! co¡i, siendod cl ángulo¡redido.Luego

({r- 2r+ 4L). (4i- 21-Lr : l4¡_2j + 4LI l4t_2!_L tcos0 16+4_4 : /1a¡rT@irT1a¡ lr(4¡r-@rT¡]I -: t Llo

lñ

"

cos¿

t6 : s\/A : --630,5E19;cl ánguloagudoos 0 : a¡scos0,5819: 54o35,.

p(¡, /, z). Demostrar l-h disranciadesdcun nqqto $o- l(a,: á_,c) a otro cualquie¡a euc vf, ¿5r¡¡ryccle¡ E cfl la du€ccióhy scntÍdodc AP R. lEt¿y

ffirT":

rp son los v€ctorcsdc posicióa a|]- b!I

t-.,

ct y ¡llfi

+zkde

A y p respectivamente

: (x-a)l +Cy-ó)j * (z-c) L,dsformaquex : y'[-l;J$=

v¡r : v(y'G-¿FTT=D;+(¿=¡1:

(¡-a)l

f (y-á)l

* (z-c)k

(x--q>'+bt-b). + (z- cf

6¡.1-[:J¡, R i

r Ector uritario en l¿ diroccióny sentidode R,

t u¡ punto genérico dc una clipsc cuyos focos son lo3 puntos A y B, coÍp so ropr€scnta cn la ñcuraBl¡ar que las r€ctas ,lP y '8P forman ángulos igualcs con la t¿ngentea la otips€cn ci punto p.

ScanRr : AIt y & : BP los vcctoresqueuncn,rcsp€cmtg los focosI y .Bcon cl punto P de la olipsoy T ol tang8nte unitario a la olipsc on dicho punto.

Como la clipso es cl lugar g3ométdco dc los puntos p suma dc distancias a los dos focos fijos zf y I es cons,, l¡ ocuación dc dicha curva ca Rr + & : r.

Scaúnol problema5, V(& + ¡J cs normsl a la clipso, r [V(Xr+ n )1.T : 0, catocs,(V&). T : -(VXJ .T. Como VrRry V& son vectorosunit¿rios en las direc-

(problem¿ l3), ol cosono dc Rr y Rh respectivamentc,

ü ánguloformadopor V& y T osigual al cosenodel ángulo hsdo por VXr y -T y, po¡ lo tanto,dichosángulosson

-lcs. quc so trat¡ dc rayos luminosos _ El probl€ña admitc una intcrpretación fftica, Podemos ir¡¡gin¡¡q3 . & ondas sonor¿s quc pafcn dc I, por cjr:mplo, y quo al llcgar a la elipse se reflcjan pasan-dopor B.

--GRADIENTE. DIVERGENCIA Y ROTACIONAL DIVERGENCIA 15. Siendo A = r2z l -

v.e = r$r

+ ry2zl,

4t"'!

*

- $r

(div. A) en cl punto (l, -1, l).

hallarV.A

zysz2 ! + xy2zr¡ $.1. lx2zr-

= ?a+¡ * P<-u"*>, ?eyo,\ ot O, Of 6y222+ *.y2 =

= ztz -

= -3

2q¡'¡11¡ - 6(-1)2(1)2+ (t)<-rf

en(1.-1,1),

t6. sieridoó = L""y'"o, (c) H¿lhrV'Vd (diverld C).^, .\2 12 el operadorLaplaciano siendo V' = (ó) Demostrar que V.9ó=9'ó, # - # - # (¿) Vó = | ? efy2"a\ + t ? eéfAt

+ | !@sf

dz ü- d z

=

+

&212¿ol

4rty"t I

g"3y2"31

+

= (;zZr * 3¡, ot

Lu€go v'v9

4',

(uny'"ot + 4xsrza ! ! gxs!2z'tt)

?t). oz

= ! 6"\",.1 + J 1l/7.n¡ * 9re/1,"1 7z' a"'- ' 4' =

)

L?,2r2¿1 +

)

)

qr3z4

A.A

(ó) V.Vé = 1l I + -Y¡ + irl. o, oy oz

+

24rs12"2

¡.^

+ i!¡ 1{Ll oz oy

a.A

+ {f.r¡ o2

a aó

¿ aó

a ¿ó

a"ó

¿"ó

¿'ó

?¡' E¡ '

7y'7y '

2z'72 '

7r2

7y"

722

= 13* !=,!=,,ó = V"O ü dt' dz' = o.

1?. Demostrarque Vtf ll

= v"111 ,' - \,4-4*É-,, ---1 ¿x2 dz,'\/F+r2+ U2

1 .3-, ¿;/,\\?' d,

,, =

I

¿'2'!Q;/l/'

'

= {Í-, =

Análoganente,

!F'+f

2'

+?)'t/" = -'(,2 +r2+ '2)-sh 1"2+ y' +

"t¡-shf

3st1f +,f +*f6/2

-

1tz+rz 1"27-s/2

2.t-!' ' f (r2+ 12+ 22\6/2

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL ?" , l ., = q'y'r2+f2+22'

?' , I , d22'y'r2+12+22'

4 ' -rt-i ., ' @2+,2 +22)6y'2 12

65 222-¡2-12 @2+!2 +.\*

12

^2 * r j-tJ{ * ¿* t r y'r2 I = o. --9-q' óz' -==-!+t2 +¿2

lhndo, I¡ cq¡ación

Y'ó

= O eellañr, ecuación de Laptace.*

dr9d¡uequo C :

l/r cs un¿ solución dc cst¿

)( : (d) V.(A+B) = V.A + V.B

Y (ó) v. (óA) = (vél.e + é(V.a). ¡rA

= ,{1t + A2t + asl,

B = 811 + 82t + 83t.

V.(¡+¡l = t$i * E¡ronces

$t

*

$rl

. [r4*4¡r + (4+B)t + 1,r"+8")rJ

=

+-zU(4+B)* 5;(4+81) É14*41 ¿a, aA" aa" aB. ¿8" = - = - *r - < .r - ¡ - f= - :f- - - r O,

= tf t +

Ot

üJ

Oz

+

Ox

3& ?:

Oy

+r2l +4r) ;;r).(,{1r

* <$t *

$r

*

+B2t+4"r) $tl.<r,t

= V.e + V.¡ I-{o^) = V.(eAl + óAd + ó/ry3r¡)

=

^/ * fr<ót"t/ *,*n¡ + &@A"\

aó *Ar

* a. ¿A^ aó ¿ ; 'T A r'

. dA^ aó /s QÉ *

,¿A-

+ 9-<r

-:

p n , *p- ^. *pr " * or ** ox,

oy

,P t. P , ot oy

?,t, * ?,{"., oz ot 2z' 4 )) *p*¡.1r,+ , a 2 t + ,.,r + \{ 1 it + i¡ o2 or

o1

+

air¡.1t¡

1V¿;.e + @1V.e1

Sean@= r-o

A : r €n ol rssult¿dodel probl€ria 18(á). " EatoncesV.(¡-3r) = (Vr-").r + 1r-3¡V.r = - 3¡-6¡) i- + 3¡-3 = 0 ,

Gncu€nt! cl probleo¿ ,t, ta.¡úendo

+ e! + Asli)

t-- --66

GRADIENTE, DWERGENCIA Y ROTACIONAL

2 0 . D e mo s tra q r u e Y -Q Y V

-V V U \

Del problemal8(ó),siendoó:

= U fV U y ¡:

-

V V'U.

Yv,

g.tu Y v l = lV y ¡. 1 V r¡ + u (Y . Y v ¡ = 1 Y u ¡. q Y v+¡ u g 2v IJ porV seobtieneV.ltzVul = tVyl.fVUi + Vi't). Cambiando Restando, Y.gugv¡ - V.trVul = V.eVv -vVU\ = (V u l. rV rl * UY 2 V = uV"v - v Y'u

lq Y v ¡ ' 1 Y u+¡v 9 2 u l

2t. Soay(¡, /, z) la velocidadde un punto cualquierade un ñuido. Demostrar quo el volumen de fluido por unidad de volumen y d6 tiempo a través de las superñcies de un paralelepípedo slement¿l dc en el punto P(¡, /, z) y aristas paralelas a los ejes coordenados, de dimensiones /x, Ay, /2, víene dado, ximadamentg por div v : V.v.

R€firiéndonos a la figu¡a, se tiene, componente x de la velocidad y en P I

II

componcnte ¡ de y cn el centro de ¡¿ cara AFED :

componente¡ doy en el cenhode la car¿C.ilfCB :

v, -

u, +

! * zo' 1

i

2v-

fi

Z-,

^oro*.

Ax a?tox.

Por lo tanto, (1) votumende fluido que atravi€sa,4FEDpor unidadde tiemp : <",| ! " (2) volumendc fluido queatnviesa G¡ICB por unidadde tiemp" : (r,+

+ fi

Ul or¡ O,

IncrerDsntode volumenpor unidadde tiompo en la dirección¡ : (2) -(1) : # Análogamente,incremcntode volumenpor unidad de tiempo on la direcrióny : incremento de volumenpor unidadde tiempoen la dírección ":

ff

ff

lx ly lz

U zy z,

z, zt 2".

El ioc¡ernto total d€ volumen por unidad de volumen y de tiempo es

:diYv: V. v

O,

GRADIENTE,DIVERGENCIAY ROTACIONAL

6?

Eftado €s exacto únicamentg en el límite, es decir, cuando el paralelepípedo s€ considora cada vez .ñoo tend¡endohacia ol punto ¿ o lo que es igual, cuando A¡, ly y Áz tienden a cero. Si no hay t de fluido en punto alguno se verinca que V .v - 0. Esta €cuaciónrecibeel nombre de ecuación de un fluido incompresible.Como no se origina ni desaparece fluido en ningún punto, dircmos aa¡t€n fu€ntes ni sumid€ros. Un vector v o un campo vectorial de divergencia nula * llaf a solerroidql-

la constantea de forma que el vector v : (¡ * 3y) i + (t-Zzli

"u)

+ (¡ + ¿z) k seasol€noidal. A

--.-{*^"-J-(

Un ve4tor V es sol€noidalsi su divergenciaes cero (problema 2l).

I

\.

A

--)

\r\',

t'dado,

-l

= ¡zs i -

rot A ) en el punto (1, .1, l ).

fu " y " ! + z y z a h ,, b a l l a rVxA (o

V' e = t$ i

x(xzsr- 24r zl+ 2yz4r \

- f,r'S *t j

t

¿

a

dr

ly

a &

l

3

-2"'y

zyr"

"

,*,-*r"r-

- +t2r"\lr l+@"1 - !<-23y"¡lt + li1rz3¡ oz oz Oy

(2za + ?j2!)i

ffudo A:

x2y| -

r ot r o tA :

+ 3,22 ! -

=

4tyzk

$t'*rlt

st ( 1i-1, 1) .

3t + 4¡

2xzl + 2yzk, hzllat rotrotA. V x q Vx e ¡ IJ I

Áx\ Ay

av, =:' Ax

' 'i ' Ó

V"V "

lido quc rtal dc

ax)

\

= Vx

¿a¿ ?¡ *y

¿y

7z

- 2.xz

2!,

= Y x l gvt+ 22y1- (t2+ 2zl t)

I

AyZz

*,,,oa'"ra,r",Qll Vx(A+B) = VxA +VxB + é(VxA). Vx(óA) = (Ve) "A '3t¡r

J

T

a

a

a

E¡

7y

é"

0

-u" - 2"

= (zr +2)t

GRADIENTE, DIVERCENCIA Y ROTACIONAL (a ) S € a nA = A1I+ A 2t r l 3k, B = B J+ 82! + B sk,

vx (A+B) = r$r *

f,i - a3nl

E trtonces:

x [(,{r+81)r + (A2+B)t+ (,{s+as)k]

¡

j

k

a a,

a 4

¿ ¿,

A r+Bt

Az+8,

As+Bo

ti(i{"+8") - : (A"+B"\JI ot óz ' '

* [J1,r,na,¡ - - Ptr"*at]¡ " oz or + L":,<,tr+sS-

= f4! - dA'1, ' oy Az

194:dz

f E & _ a t rl, 'ar - ¿,'''

*

*t,. or *

ü

(,41+Bl)l r

r*-l!t* ó, óy

a 8 3 r, tra a ,8 l _ a,t''

?8r]. ,Ld¡ B ; -"- a - J k

= V*¡ + Vxn 1a¡Vx1óe¡ = Y x qgArt + óA2, + ó4k) l

J}

aa a/

¿

a" óA,

¿"

óa,

óA.

tfi<o+t -$,oAt, + t]@e,t-Sró+r]i. tlo+, -

tó +.!n " - o Y of

ó,

az

dz

óz

dt

* 134^ o tr*oy - *r, óz d¿'

* [rP¿" * - Pr"r, oy oz tJ

= SlV x e ¡ +

aé

aó

Ez

¿y

¿"

Ar

A2

= ó(Vx A) + (V é l

\L.-

l

¿ó

' e.

$<

GRADIENTE, D¡VERGENCIA Y ROTACIONAL

69

V.lAx r¡ sabiendoque Vx A = 0. . l = lit

h

+ A 2 t + As l , | = tl

+ y t + zL.

tJt Ar

baxr=

A2

As

x lz =

V . 1l r r ¡ =

(zA2- !Ae\l

- rAs\ +

fi(zAz Ot

¿a" o!

f,ot"-"^,t

¿A" ¿A" + r -{/-Ot et

¿A" z --,(-

(xAs- zATll + (fAt - ¡.A'.\l

+

¿A.

- = -) oz

¿A,

+ t(:{i

oz

!|t,-'t,t

¿A, + a,{. t -<- oz

r.(V x A) = r. rot A.

da"

¿A"

+

<=) ot

z ( =i ot

Si VxA=¡ "¡

v x(+t+=, O,

¡¡ V ' 1V6¡ )

Oy

-

¡=oz

a,t.

---:) o!

-

¿As. . ?¡, ,¿A2 + {=-= - =o, óx ot --:)J

)rl

r€sult¿do€s cero.

v .Q\ f \-) (ó) V .(V xA )

(rotera;\\=0),

=0

(di vrotA zó).

,,,

\

* p .l

¿A-

.=o1

¿A2. , .dh + (=i - =-)l 02 oa

r , ¿h t(-ot

[rl + ¡J + rI]'

-

+

I

l,

d

7r

¿,

¿"

aó

aó

aé

ir

¿r

?¿

a r Á a A.ñ . ó) J, , + .e = .La+ (a- ó) .- +a( +¿)ól r' . + .a Loz+ (a +ó) - +ota (a= [:( + ) - :( =ót) l r (, o! oz oz o! ot oz ó, óy 12,

= (:g - j4rt Oy Oz Oz Oy Toni€ndo

^2,

n2,

\2,

^2

=o * 1=!f-- 39r¡ * 1.j€ - 39r¡ Oz Oa, Ox Oz dx (, Ol dt - 2,

que C tiene segundasdo¡ivadas parciales continuas, con lo cual-cl ord€n de la derivación cs indifc-

-r|G,

¡

el V'(Vxrl = V .

aa

a

7r

at

7z

AL

A2

as AA,

v.tr*Of - *rr Oa =

¿a. ¿ a/. ------= ----a \

-a

?r'E 7

-

?¡ '

oz +

a . at1 qdz

¿a"

-É)¡

?,iu.

-E'

+(

}tn _ é,t, a, d1 d ,¿a2 oz

-r=-

oz

-

)rl 7t,

4,

/---

70

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL 12_ oA a

-2. ó4"

-2 dA ,

^2 óA -

^2 dA -

\2, o A.

¿r ar,

?¡ ?z

¿y¿,

}1 ?r

?z ?r

?"8

suponiendoque A tiene scgundasderivadasparcialescontinuas. Obsérvese la semejanza entre el rosultado anterior y cl de (C x Cr) : (C X C) m : 0, siendo e s c a l a ryC ' (C ¡ A ) :(C x C )' A :0.

28. Hallar rot (r/(¡)) siendo/(r) derivable.

rot (; /(¡)) = V x (¡ /(¡)) V x (x/(r)f + t IO)l + z l (t)l \

tJr

aaa ? ¡4 7 2 rl(t)

z f(,',

t lO\

¡f = (z l-l+ )l ^Í oy oz

>f

>t

oz

o7.

* (' + -¿ + )J

={}c.a;p, e,,o fl =,9.¡,$r f 'v

= !¡

= Vt

f 'z

a

¿a

7z

7y

7"

A2

Ag

+ ("+f 'z -

| ,¿A s ol

- Tóz' ) r * *02- 1! ,ot, .

I

j

I 'x

"+\t

I

a

a

a

ly

?z

dA, ¿"

¿z

¿ ,AAo E7'E

?¡,, ¿y'

7A" 7z

a . a,{1 ?,'?"

éA " ot

éA " oy

E,{...,. Zx"'

. f3 ,? 4 - ? &,, - ? ,!4 " - !,e ' ,1 , -?r'?7 E¿

It lf

Ot

¡+ ¡

?r'D"

dy"'

. r3, * - ! 4-", - 3, * - *, 1.

r

. \i ü

l ', l '' + (f t---:'+)l

r *ot- 1lrotr r l

?¡ 7A, ;'

oy

jL

I

Vx 1Vx¡¡

ot

- v'n + v(v' A ) .

=

29. Demostrarque V x 1V x ¡¡

>r

I-:.4n6¡o*n"n"X=+ = tX. +,4,",,,=

Porfotanto,l resultado es,=(,+-tllt

*

)f

+ (/ : : -' : 1 )L

Oz

O,

Oj

Ol

dz

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

. ",*-fuu, ,-"+ -"#,, -*,. "* . t

,{*,fu"^r, ,!,.#r,, - ,34.,., '*"r,

,-#-*-#,,.,-'S * $,,,,$-*-".4,, .,*.*,*,, .,$.*-*,,,,*',*,*,, a2 -2 - r*.

12

+

*+, #\(A;t

+ A2!+ Asr)

,'*,#.*.*, - ,E3.* -"#,*,.**,*,"#."#, -v"e * v1$ ox

*, ol oz -.*.

= -V'e + V(V.r) t¡

quiero simplificar la escritura, se puede operar solaÍronte con la componente i y d€ducir luego las otras smcmalt. El resultado también se exp¡Esacono c¡r el problom¿ 47 (a) del Cap. 2, de la forma siguienG: = B(A ' c) -

a x (Bx c )

r¡l y

A = 3= !

L i :l do

(A ' B )c

¿ = ¡,

Vx ¡px¡¡ = VrV.rl - 1V.V¡r = VlV'r¡ - fr que la fórmula (1) so tiene que escribir de forma que los op€radoresA y B p¡ecedan al op€rando C

tEveso

¡odo

v =arx¡,

r ot r

d€mosüar qu6 ¿¡ = | rotv siendo(,, un vcctor constante.

= V x v \=

"'li');)'

V x (¿ rx r)

-- i t f1<,t2"-@sy\i

+ (oú -@2'\lf

+ (.¿st -@tzr!

r¡t

@22

?

d

ó

?¡

dy

-

QAI

Q) gt

-

( D!z

-:-

éz

O) Lf

-

a¿ 2t

-

2(<D1l + (¿2t + .¿slf,'t =

20, .

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

72 Po r l o ta n to , o :

¡V x Y :

l rotv.

como vercnos de un campo vectorial confierc ¿ éste propiedades dc una rotación' El ¡otacional 'ii porci€nplo,un¿ru( erl movimicnto, nuido un d€ aJ ,.to"idados üiüñno. cup.?. "i del mismó' tiende a girar en las reSioncsen las qu€ rot F .* 0' m¡ se sirúe en ¿iwrsos puntás Dalerasque"iáñpá-r '". ri tiii':'o ¿.n orruú lrrotscional' Un campo no imotacional¡6 no hay rotación v ii"".pJFé rotacional o de tóúices.

=

Vx (Vxn) = o.',*, Aniilosam€nte,

$<vxo

=

*.*'

" -#

4

* y Ñ1 a t = - f n .

pe¡eV x1V x ü ). - f n

L u c g o f n= S .

',

I¡s €cuacioncsdadas son las ¿caqclotw de Mqxwell & Ie t@rlt elecúonsgnética. la ^2

-2 9r se lama ecuaclónd¿ ondas. ?c2

^2 ^2 9r+9!+9!= 122 ¿t2 V

PROBLEMAS DIVERSOS. 4' ó' ¿ de 32. (¿) Un vector V s€llama irrotacionalsi rot V : 0 (probloma3O)' Hallar las constantes

v : (x + 2y+ az,| + (bx- 3y- z)| 4 (4x+ cv+ 2z)lr.L-0 t t Oi u Ol sea irrotacional. (¿) Demostr¿r qus v se puede expresar cotno el gndicntc de una función esc¿lar'

(a) rot V

= VxV

I

,

¡

dx,

q

oz

a.

!

,+ 2! + az

4E + cY + 22

tz-v1]

El rotacional6s ccro para ¿.4, ü = 2, c = -1, de donde A 2 @ + 2t + 42\l + (A -3f -.tt

(ó)supongamos v = V@. Entonccs,

(r) :{= ót

= (c + l )t + 1a- 4) J

Cv \ á -

^ t.

^ ü :'¿

4',

b-" + (* t-l

'¡ s'l

+ 22)l

$t - $r -$. '+zf

+az, (21

da ¿t-

.

r , - 3 f 'd z- 2 ,

(3) =

= 4 t- f

Integrando(,t) parcialmcnterespeatode ¡, pcrmaneciendo/ y z comtantos, (4),

=

ó = + + b! + 4rz+ l(y,z)

e <4 y Q)' sicndo/(/, z) una fu¡¡ción arbitraria d€ y y z. Análog;amente, a.

+2 2 .

(ü:

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

ceDarando

r = o, - 4

-

ó = 4 z z -y z

+ 22 + h (r,t).

fz

+ t@i)

(l), (J) y (ó) se deduce que hay un valor común de C si s€.to¡nan

¡ 1y,"¡= -{,

= ( +¿2, s1z,z¡

"',

t t n , rl = $ -{

,t'=n-Frf*Lxr+4zz -rz ' x 2w2: , I que Et¡ese tamb¡én se puede sumar a d una consla¡te. En general,si V x :0, v antoncess€ puodc ts c de forma que v : vd. un campo vectoriat v que aerlva áe oiio escatar d, tal que y : vó. sc ca,rpo a vectori.tl co,sertqdor, si€ndo d el potencial escalar, Recfprocamenó, ii ; :;;, . r:0 ( pr oblema2 7 4 ). "*Jil:

trar que si ,, (x, y, z) es una solución de la ecuaciónde Laplace, V C define un campo vectorial sole_ e irrotacional. ¡or hipótesis, d satisfacsa la ecuación de L¿place V,d :0, rs rclenoidal(problemas2l y 23). Del problema 27a, V x (i ó):

es dcc¡r, v,.(vC) : O y, por lo tanto,

0, con lo que V d es irrotacional.

V,l, una gosible detinición de grad B. SuponiendoB:^Bri+&i+13k,

o

la expresiónde grad B vi€nedad¿por

v" = ,*r *

$r

*

+ $.r rr,, B?,+ Ber)

= *t, * P,, o, or

* Pot ¡ , oP,, * P¿t r. 0!

* $ . , *$ . r *$ . . I-as.expresiones i i, i i, etc., se llaman diadas zzrlarr?rs.(Obsérvesequ€ ¡ i, por ej€mplo, no es Io mismo ji). Una expresión de la forma orJÍl + ar2lt + d$l¡

*#y"

+ a21tl + aelt

+ az'll + odll

siendosus componentes los co€ficientes o¡, on¡...

+ ¿salJ + o$l¡

Disponiendolas nuevecomponentes

(;z;) &rma una matriz cúadrada de tercer orden, 3 x.3. Er conceptode diada es una generalizacióndel conD de vector. Una posterior nos lleva a las t)¡odo, qu" -generalización

;;¡*it*:LhjJ.;,if*."{;i$h[;rnm#.*nlis#}:-3*:'#:

y ROTACIONAL

GRADIENTE, DMRCENCIA

i

35. Sea A un vector deñnido por A :,4, i + A"j + A.k y O una diada dada por o :

¿ rri i + a - i j + at3i k * ¿¡¡i i * aoj j + d-i k

+ a3,k¡ + a3!k¡ + ¿,skk

Obtener una posible definición d€ A.o. Suponiendoque sa cumpl€ la propiedad distributiva,

A ' o : (, { , i + , 4 , i + A "k ) . o : , 4 , i. o + A , i. q + l3 k .o consideremos,por ejempro,el producto i 'o. se forma efectuandolos productosescalaresde i uno de los términos de ,iD,surnandoluego los resultadosparcialesobtenidoi. Algunos de estostérn i .a ,i i , i ,a ," i i , i .ani t, i ' a* kj , ei c. Teni endoen i uenta oue l .o11l l

= al l (¡.i )t

= o11t

yaque l .l

= I

I ,oetJ

= a12C .tri

= arpl

ya que l . |

l .c21j l

= aa(t.r)i

yaque t.J

t.q2l J

= csr(t.k)j

= 0 = 0

= i =0

yaque t.I

= 0

y damos una inúerpretaciónanáloga a los términos de J.rD y A.O

I..D,se obtiene

= ?41(a11t + ¿12J + a13k) + A i @ 2:i + a,zt+ k) + ,4s(as1 t+ as2 J+063k) = (A1a!r+ A2d2r+Asoar]t + (A1ab+ | A2dz + Ards2)t + (Aaqr+ A2a2.+Aa

que €s un vector.

36. (a) Interprctar et sírnboloA 'V. (ó) f)ar .v) B. (c) ¿Sepuedeescribir la _ur posiblesignificadode (A sión antc¡ior de la forma A.V B sin ambigiiedad algiina? (a) s€a a = A1l + A2i + l¡1.

Tend¡emos,formalmente.

A,9 = e1t + A2!+ Asll' t.tr 3i ¡ -dx

+

A-:

+ oy

$r .$r r

A^ -:oz

que 9s un operador. Por ejemplo,

aó

a + a t¡'V l ó = ¿¡ @ '"' .3* a, '" t 's;,)

+ Az

¿ó

aó

¿r

Obsérveseque €sto es lo mismo que A ,Vó. (á) Sustituyendo en (a) / por B = Br | + B2J+ Bsk,

= tt¡a * erJ * ¡"P)s = ,r1E ., lr$ * ,1"$ (A.V)B oy oz o, oy

= (,{, ''o'*'

oz

¿8. aB" ¿B^ 78,. . arg .. aas . A"yL ' d y * ,r" a . lt ' (A ' ¿ : + 4 2¿ ; * 4 " É )t * t A ' 5 i * A 2 i " + A 3

(c) Tenie¡do,en cue¡ra la interpretacióndo V B dada en el problema 34 y, de acuerdo con el estabtecldoen el problema 35,

l.

A-Va

=

( A1l + A 2 ! 1 1 3 ¡ ) . V B

=

ALt.VB + lal .Vs

,,,p , rP, . P*, * n,,!,*f;, . ot

o,

d,

+ .{st.Vs

fu, * ¡"r*r- *, - *

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL que el. mismo resultado que el del ¿partado (ó). se deduceque (A .v) B : A .v B sin lugar a ambi_es_ güedad siempre qu€ el concepto de diadica se considerecon las propiedadesindicadas. -

!tuido A = 2.yzi - Éyi .) (A ' V ) ó,

B = x2i + yzj -

+ r*k,

( ó) A .Vé ,

(c ) (B.V )a ,

y

xyk

(d ) (AxV )O,

>

a

_,,--l

,"2?, er)r.) dz

zy,{(z,ty'.) / Yz ( 4( ) ¿'

u *v

u"{<N'y,"¡ - *'y}e"2y""¡ t','jtaT""\ (2yzl(4tyz3\

23\ ¡x2y¡12t2

-

+

hallar

@ ) A xV é,.

r¡ 1n.V¡@= lqzyz | - t2y! + ..z2r¡.rPr * 3¡ * SrtlO ot of oz = ( 2r " ;-* t;.

ó = 2-"y"",

(x.z2116¡fz2\

B"y""t - 2aoy "s + 5"t y "o

n . 9 E = ¡ z yzI - x.y!+,,'r.l. rP r . p ¡ * $*, ó, óy dz =

\(2rz t -

=

ú!2za

x2y¡ + zz2\).(4"231 -

+

2"ayz3

+ 2r2r31+ gr2yz2h¡

6x3y"4

Comparaodo con (a) se d€duce que

. ) G. V) A = l 1 ' 2r + yz! -,rkr.t3 r

Ox

=

(.rc- <7- + fz \ a -rl ^ )^a .ot oy oz

=

, 2( - L .y i + z 2¡¡

=

(2122- 2ry'\l

* P ¡ * lr lln Oy Oz ,?¡ = ¡-ox

+ y z (z z l - x 2t \ -

= A.Vó.

(A.V)d

(2.rsy+ íy{!

+ t¿-aA ol -

E¡

ty_ oz

,l (zy i + 2j rk)

+ 1}22 - zz2yz¡l

Para la comprobacióncon B'VA, ver€l problema36(c).

er ¡¡xV¡@= l¡zyzr - *yt , "",r¡,qlL * $i * SrrlO k

4z

-;r

aa

a

¿r

¿" a1

_11

Li(-*y+ - """+) oz oy

- aó

¡1",2i - zyzil Or Oz 2.r. 1x z 2{ oz

^aó

+ x.¿'--)l - (x'y i' oz oy

- ( &tay2r2 + 2¡3zE)l

+

( 4x2yz5 -

).A z y z {¡ ¡ oz t2t2y2zs ¡ 1

r(2 y z + + f y * lQ oy

Ot

aó ^aó

(2yz-+ fy =¡'¡k o1 oz

f t'rrt +

$r

GRADIENTE, DIVERCENCIA Y ROTACIONAL

)

(€)A x v O - el z i- x 2 r t + , 2 2 h ) " r f f r -$t -S*l I

J

l

2

4z

2

-r t

aó

¿O

?4

éy

(-,, =

aó oz -

dz

^aó

('"'# - zy"!n * tzy"4", * *y4"tt

- ¡z''-.- ) I o,

- (6zaf z2 + zt3z6)t

Comparando

+

( 4z2yz6 -

con (y') rasult¡ quc

l2?y223¡¡

+

( 4x2yza + 423/2zl\h

(AxV)ó = AxVé.

ITWARIANZA 38. Deducir las ecuacionesde transformaciónde las coo¡denadasde un punto cuando los ejes;r, y, z, del r€ctangularal que está referido giran, respectodel origen, hasta li posición x,,y',2,. Seanr y,r' los vectoresde posiciónde un punto cualquierap en ambos sistemas(6gura de la página ^ Como r : r',

(i )

t' t'

z' ht = tt

+ y' 1' +

+ yl + zy

Para todo vector A s€ verifrca (problema 20, Cap. 2), a = (A .t' )t' Hac¡endoA : i. i, k, succsivamente

= tt.llt' = rt.t'ti = (¡.1)f

( | t { ( r

(2\

+ (A ,j ' )i '

+ (A .k,) k,

+ (t.J')J' + (l.k')h' = t11i, + t21i' + h! k' * rJ.¡'lJ' + (j.L')k' = ter' + ¡n 1' + ts2k' * (k.J')j' + (¡.I,)k, = hsi, + taf, + qBk'

Sustituyendolas €cuaciones(2) en (,t) e igualandolos coeficientesde i,, j,, k, se obtiene (3 )

x'=

l ::x t' l p!

t l tsz,

f' =

l zú + l zy + LB z,

2t = l .1x + tg¿y + Lesz

que son las ccuacionesde transformaciónp€d¡das,

3!). flemostrar que

i' = lrr i + lpi J'=

+ 4gk l 2\l + 122i + hsk

k ' = J sri + l s2i + h3k Pararodo vectorA s€verifica A:

(A,i)t + (A.J)J + (A.t)k.

Hacie¡do A : i', i', L, sucesiva¡Dente I'

{

I'

= (l ' . i ) l = (i'. i) t = (i ' . i ) i

= lúl + lr-! + ¿sh = h\t + b2i + t'€, + (k'¡.l)I = ¡slt + ¿s2J+ bol

+ (1.J) j

-t

+ (i', i) i + (I1j ) j

+ (j"r)r

(r1¡)t

GRAD¡ENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

*

b

t tr,,,hr:

lsim:z,y0si¿r

tomaruno cualquiora dc los valo* n,endon&my npueden

c¡¡¡acionos (2) del proble¡n¿ 3E, =

t.t

r

= l tl l t' + ¿ r.¡' + 2 ,' !r'a22 L lL Al,2

= 0

f.,

!st' ).

= (¿sl'+ ¡rn¡'+.tutr'¡ . (tpl' + trr.!' + ls2l') = hrl,e + lá12

l.l

(& 1t¡ + ¿21r'+ ¿s1l ' )

,2

+ hTla

= 0 = (Lll'+ 4oJ'+ hr'). {rtgf + toJ'+ 6er') = !1Is + lalzs + lsLls y k'k seobtiono la demos-

&rostrado6n cl casodc rn: l. Considcrandot'l,l'l'l'k'k'l'k'¡ É$

m:2

Eirndo

ó-

Y m :3 .

( l ¡i ¡r:tt '' --cl tlcultado sc pu€dc Gccribir t | t-l I O s i m* ¡

:

lñIto:A'.'

E slmbolo ó,o¡ sc donomina deltq d2 Krcneck.r.

l(¡, & z) u¡ csc¿la¡invari¿ntcrcspcctoile una ror¡ción do e!:q demotrar quc Srsd C os u[ vcctor rtc Ést Ér-todGcata transforünción. Por hipótcsis,6@,y,2'):

4'@',v', z)' Ten€tnosquc dcmostrarquc

= Sr'P,l . Sr' * P. P,Pr or oz oz ot ot oy do transfoÚación (3) del problcma 38, !c obtis¡e Dcdvando y t nimdo on c-r¡entslos ccr¡acio¡res

aó ?,

'

aó'&' Eó',a,', +

=-; Ót

dz --

<Oy' Ót -'t

ú' d' @ = aó' ar' Ar * ¿t'8t. aé aó'ar' aó'ay' E¡ -

é"t 1,

?t' E¡

+

?ó'?.'

.-liOz Oa

=

¿d'.

<-¿f ot

+

aó'.

iJ,21 oY

+

ad.

i r-hl oz

ad. ?ó' ?r' = ad . t aó'. a " ' 4 ' ? 4 ' * ' ; jt u ¿/6 ?ó'?.' = aó'. + ú'.lze + aó'. ¿sg ?"' ?,

i- he ot

i or

02 --

por t, L L Fapcctiv¿mte, sumsndoy tenicndoo crmta sl pfoblcm¡ 39, so Xu¡t¡plic0ndo€sta! ccuacionca ótiono ol rcaultsdo pcdido.

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

78

Problemae propuestos 42. Siendoó : 2xz.- x,y,hallarVCy lV{ lenelpunto(2,-2, -l). So/. lOi- 4J- l6k, 21l 93 43. SiendoA : 2x, i - 3yzi + xz, k y 6:22-x.y, hallarA.V ó y A x VC en ol punto(1, .5o1 5,7i-i-tlk ,14.SiendoF: x,z I y G :22,y - xy', hallar: (a) V(F + c) y (ó) v(¡C) en cl punto (1, ,9¿l (a) --4¡ + 9i "ttx + k, (ó) -8j _ 45. H¿llarV lr I¡.

Sol. 3rr

f'ír\r 46. Demostrarque Vf(r) : Li-.

47.Harrar v p,"-tl, ,..

48. Siendo gU :2r'r,

+

Sol. (6 - 2t - 't' - 2r'-tt') r

fi\.

hallar U.

49. Hallar C(/)deformaeue Vd :

Sol. ¡./s + constante

: ,.j v d(l) O.

Sol. ó(r)- + (t - +)

50. Hallar V,p siendo9 : @, * t, ¡ 2t¡¿-l7i7l7 , Sol, (2 - r) e-, r q\e {(1,--2,2):4. 51. SiendoV C : 2xyz,i * x,z,l + 3¡tz'k, hallarC(¡, /,.r) sabiendo 52. SiendoV\':(y2-2xyz')l+(3 +2xy-x,z')l + (62'-3x.yz')k, hallarr¿. Sol. 9: aya- *,y2. +3y +(3/2)2. + const¿nto i ,l

Sol.$:

53, Siendo U una función derivable de x, y, z, demostrar que V U ' d¡ : dU. 54. Siendo Funa

función derivable de x,y,z,,

y x,/,2,

funciones deri'.,ablesde r, dcmostr¿r quc

+ : + +a F ' #

i

: t

,

|l

queV(r'A) : A. 55. SiendoA un vecto¡constanto, demostr¿r que dA : (V4.'dr)i +(VA,'dr)t + (1A"' 56. SiendoA(x,y, z\ : A\i + A,i +,{, k, domostrar s7. I)emostrarque o (€) :

ooo;""o

siendoc + o.

58. Hallar un vector unit¿rio p€rp€ndicular a la superficie del paraboloide de revolución z : ¡r t tt-r4j _k punto(1,2,5). Sol. # '

I

+ \/,

(x - l)t +y'+(z 59, Hallarel ve{torunitarionormalá la superñcie Sot. (2i I i -zk)13

+ 2)r : 9 on el punto(3, l, -4).

a la superfici€xz" * x'y : z60. Hallarla eruacióndel planotangente :

I en el punto(1,-3,2).

S o l - 2 x -y -3 z l l :O 61. Hallar las ecuaciones del plano tangente y de la normal a la superñcie z : x2 t yr cn el punto

sot. 4x-2y-z:

t, ";'

:'+:

"=t

o x:4t

i- 2 ,y : -z t -r,

z:-t

i- 5.

62. Hallar la derivadade 6 : 4¡2t - 3tzr'z en el punto (Z' -1,2) en la dirección¡ - 3i + 6k. :53.7 Sol. 31617

". Xl:t"'jflP

frl.:

*--*

^

(-3' 5'O' hacia elpunto elpunto (1,l, -l) endir€cción

GRADIENTE,DIVERGENCIAY ROTACIONAL h di¡ección según la cual la derivada de la función ó = 2xz - y" en el punto (1, 3, 2) es máxima. =el rÁ",iiulode estevalor máximo? So/. En la direccióndelvector4i -6j +zki2\/A:'1.4g. r los valores de las constantesa, b, c de forma que la derivada de la función 4 : axyt + byz ! cz,xl F nt o( l' 2' - l )te n g a u n m á x i m o d e m ó d u l o 64enl adi recci ónparal el aal oj ez. t : 6, b: 24, c :_ 8 . el ángulo agudo formado por las sup€rfcies xyzz : 3x + z, y 3x1- y, + 22 : I €n €l punto(1,-2,1).

3 .Ic cos liln:2::

arc cos

\/Á : 79"55' H

I ¡ ¡ f as c ons t a n te s a y ó d e fo rfIl a q u e l a s u p erfi ci eaxr-gyz:(a!2)xse¿o¡togonal zl a4xry* 23:4 d punt o ( 1, . ._ 1 ,2 ). S o /. a :5 1 2 , b : I feodo ri y y funcionesderivablesde x, y y z, demostrarque la condición necesariay suficientepara que r y v esténrelacionadaspor una ecuaciónde la forma F(a, y) : 0 es que Va x Vy : 0. Dererminarsi u :

arc tagx + vrctzg y y v

ffi

(á) Si (v : tag ¿).

"r,an

relacionadasfuncionalmer¡le.

Demostra¡que la condición necesariay suficientepa¡a que ¡as funciones u(x, y, z), v(t, y, z) y w(x,y, z) 6tén relacionadaspor una ecuaciónde la forma F(u, v, w) : ¡ es que V¡l x Vv x V', : 0. Frpresar Va. Vy x Vw en for¡na de determinaote.Este deterhinant€ se llama Jacobianode ¡]. r. re rcs. por A@ ,v ,w ) .. ./a,v,w \ pecto de x, /. z y se representa o b¡en../ . ¿G,yÁ, \; l, z , D€termina¡si u: x 1y + z,v: xs +y" + t, y r.)- xy + yz + zx estáÍ rclacio¡adas funcionalmente.

t¿ (b)

?¿

?¿

E¿

7z

éy

lz

a?

?u

?u

Ox

Oy

Oz

-

--

v-

2tr, :0)

-

!4, a, ¿"

(c) Si (z!-

?p

¿y

?"

doA:3xyz'i+zxy'!-x,yzkyó:3x'z-yz,hallar:(a)V.A,(ó)A.vé,(c)v.(éA),(d)v.(vd), q el punto(1,-1, l). sol. (a) 4, (ó) -15, (c) l, (d) 6 Erllar div (2x'zi - xrzzt + 3yz'k). Sol. 4xz- zxyz + 6yz

dr>L.

k r do

d : 3x " 2- y ,z ' +

Ballar Vr (ln ¡).

4 x ,y + 2 x -3 y -5 ,

hal l a¡ V rC .

Sol. 6z I 24xy - 2z' - 6y'z

Sol. llr'z

I>mostrar que V2'' : n(n + l)rn-" siendor u¡a constant€. S¡€ndoF:(3¡rSo¡. -ó¡ + 24j -

y|) i -2rrz'!k,

z)i+(xz'+ 32k

hallar V(V 'F) en el punto (2,-1,0).

Siendoo un vector constantey v : (' x f, demostrarque div v : 0. Demostrarque i'(íV)

:

ÓA"V+ 2A ó'VV + 1t'1"í'

SiendoU : 3*y, V : xz' - 2y hallar grad (grad U)' (grad I/)1. Hallar V '(r" r).

l2x) i I 6xz, | * l2xyz k

So/. 6¡r

Hallar V'[rV(l/¡')].

So¡.

Hallar V'[v'(d¡')].

Sol. 2r '

Siendo A : r/r, hallar grad div A.

Sol- -2r -' r

!*L. Ol Hallarf(r)de formaquev f(r) -o. arbit¡a¡ias. A + Blr siendo,4y.8 constantes

quea\a:# (d) Demostrar Sol. f(r):

Sol. (6yz' -

+|

s

GRADIENTE. DIVERCENCIA Y ROTACIONAL 84, Demostrar que el v€ctor A : 3y.2. i * 4xrz, i - 3x,y2k es solenoidal. 85. Dcmostrarque A : (2¡r + 8xy'z) t + (3x'y cs solenoidal.

3xy) j - (4y"2, * 2¡!z) k no es solenoidaly que B :

E6. Hallar la función derivablemás gpneral/(¡) do forma que /(/) r s€asolenoidal. Sol. f(r) = C/¡3 s¡cndo C una constantearbitraria. E7. Domosttar qu€ el campo v€ctorial V : pretarlo flsicamenta,

os un <c¿unpode tipo sumidero>.Dibujarlo e

i-'j {xr* v2 --t

Et. Siendo U y / camposesc¿laresderivables,demostrarqu€ VU x V Z es solenoidal. yz i I 3xz. k y ó: x,yz, hallar: 89. SiendoA :2xz'i(a ) v x A , (ó ) ro t(C A ), (c)v x (vxA )' (d) vl A ' rotA ], (c) 5i + 3k, (d)-2i *i Sol. (a) i +i, (ó) 5t-3¡-4k,

(e) rot grad(óA ) en el punt o( 1, l, l) . * 8k, (¿) 0

(ó) V .(VF)X(VC)I, 90. SiendoF: x'yz, G : xy-32\ hallar: (a) V(vF).(vc)l, Sol. (a) (2y'z Í 3x2z- l2xyz) | 1(Axyz -6xtz) j 1(2xy'* x" - 6x) k (á) 0 (c) (x|z - 24xyz) | - (12x, z | 2xyz) j * (2xy" * l2y z, + x') k

91. Ha¡lar v x (r/¡3).

(c) V x [(VF) x

s¿/. 0

92. ¿Paraqué valor de l¿ const¿nt€a el rotacional del vector tr : (a¡y Sol. a :4.

es idénticamentenulo?

zs)i + (a - 2) xzi +(l-a)

93. D€mostrar que rot (d grad C) : 0, 94. Representarlos camposv€ctorialesA:¡i

Hallar la divergenciay el +/j y B:t,i-¡i. de cada uno d€ ellos y explicar ol significadofisico dc los resultadosobtenidos.

9 5 , S i e n d oA : x ' z i I yz' | -3xyk, R : y' i -yzi * 2xk y ó:2r, * yz, hal l at (¿) A ' (v C), (ó) (A 'v) d, (c) (A 'v) B, (d) B (A 'v), (¿) (v ' A) B. Sol. (a) 4x.2 + yz. - 3xy2, (b) 4x'z + yz, - 3xy, (igual que (a)), (c) ZY'z'i + (3xY'- Yz')l +2x'zk' (d) el operador(.r? 2zi-

j + 2x,zU) x2yz"

*

* (-3¡y'i (e) (2xy'zz¡ ytz')i-(2xyz,

! (y'zsí - y,z. i +Zxyz"k){ ! 3xt'zi-6x'yk)

* yz,)i I Ax,z l2xz')k

-

9 ó . S i e n d o¡: y 2 ' i -3 x z' l I2xyzk, y 4: xyz, hal l ar B :3¡i + 4zi -xyk (4 ) A x (Vd ), (á ) (A xv) d, (c)(V xA )xB , (d)B .vx A. Sol. (a\ -5x.yz2 1 + xy,zt j + 4xyz. k (b) -Sx,yz, i + xy,z, i + 4¡l?3 k (igual que (a)) (c) 162'í + (8xzyz- IUz')l + 32xz! k (dr 24x,z + 4xyz' 9 T .H a l l a rAx (Vx B)y (AxV )xB enel .pu¡to(1,-1,2),si endoA :xz¿i !2yi -3xzkyR :3xzil2yziSo ,l . A x (V x B ) = l 8i -l 2j + l 6k, (A xV ) x B :4j + 76k ,-v

9 E. D e m o s t¡a q r u e (y ' V)y : J' 9 9 . D € m o s tra q r u e \¡.1 . 1 x R t

x (V x v).

x A )-A .(V - B .(V

l 0 O . D e m o s traqr u e V x ( A x B ): l 0 !. D o m o s traqr u e v (A.B ):(B .v)A

x B ).

(B ' V )A -B (V .A )-(A .V )B + (A .v)B

102. DemostrarqueA: (ó.y/+¿3)i I(3x,-z)i S o l . 6 :3 x 2 y i x zr-yz + consranre

+ A (V .B ).

+ B x (v x A ) + A

x(v

x B ).

* (3¡z' - y) k esi¡rotacional.Hallar CdeformaqueA =

GRADIENTE, DIVERGENCIA Y ROTACIONAL

t'

que E : rt! es irrotacional. Hallar, d de forma que E: o : ln (alr)

-VC

8l y q\e ó(a):0

siendos > 0.

A y B irrotacionales,demostrarquo A x B es solenoidal, /(r) derivable,demostrarque/(¡) r es irrotacional. alguna función derivableV de forma que: (a) rotv:r, (ó) ¡otv:2i+ j+3k? En caso hallar V. --.rivo, .f. la) No, (ó) V:3¡t x\k *Vd, siendo / una función arbitrariad€¡ivabledos ve¡€s. *(2y-h

hqrt-¿r

que las solucio¡resde las ecuacionesde Maxwell

o '" .=* * l

o," =-+* .

v.x=.0. v.E = 4rp

o una función de .r, y, z y c la velocidadde la luz, supuestaconstante,vi€nendadaspor -r

v , n= | * .

r hde

A y {, sellaman vectoria!poterciqly escalarrcspeati\¿amente, y satisfac€nlas ecuaciones a ':2¿ ' ' )2' 1r¡v.n+1P=0.

e\Va--#=-n"0,

c dt

I

v.n = 0 , y.a = m p

o,"=-+*,

a tlt= \ffi

Dada. la diadá- o :i i + j i * k k , h a l l a ¡ r-(o .r) y (r.o).r., (ó) ¿E xi stcal gunaambi güedad al <cribir r . O . r? (c) ¿Quérepresentageométiicamente'r. ó ., É ií (a) r ' (o ' r) : (r ' o) , r : x, t y, + 2,, (b) No, (c) Esfera de radio unidad con centro en el origen

frlt"lri,, jí,t;

v"i t vz'k v R:2zzi-xvi

*v!k, darun posibte signiñcado a (A *v)B en

úi ¿Sepuede escribir el resultado en Ia forma A x (VB) aplic¿ndo el concepto de di¿da ?

f¿

( ¿)- - - 4 ii- i¡ + 3 ik-lr-4it

+ 3kk

(á) Si, p¡eparandoad€cuadamcnte las oporaciones, &lrostrar

que ó(x, y, z) : x" + y, + z! es un escalar invariante resp€cto de una rotación de ejes,

fudo A(x,y., z) un campo vectorial de¡ivable invarianG r€specto de una.¡otación de ejes, demostrar que o div A y (á) rot A son respectivamente, campos escalaresy vectorialeslnyanantes respectode la transfuuación. &sfrjar x, y, z en las ecuaciones(3) del problema 3g en función de x', y' z,. , tcl- x : l¡x' * l,,y' * l",z', | : l* x' * lzs y' I L, z', z: l,"x':- hEt. * Iuz, lfudo A y B invariantesresp€ctode una rotación, demostrar que A.B y A hostrar

^

B son invariantes.

que en una rotación

v = r P *¡ l- *r P = , ' 3 * ¡,3 * r,3 = v , ot

Iblostrar

oy

a2

ó,

dt.

dz

que el operador Laplacianaes invariante rgspectode una rotación.

tr-

--

Ca ítulo Integrociónvectoriql INTEGRAL DE UN \aECTOR. Sea R(z) : R(a) i + Rda) j { Xr(r.r)k un vector función de sola variableescalaru, en donde R,(a), R(a), R.(a) se suponencontinuaj én un intervalo dado. En condiciones,,

!* * ,0 ,

= i f n ,o ¡d ui f, a ,o t¿ ,,u*f" *ro,

sellama integralindefnidade R(u). Si existeun vectorS(z) de forma que Er¡:

f

tS{u)),"

f n o t ¿ u = f $o1us' t , r ) d u = S ( ¡ )+ c

J

J

en donde c es un v¿cro¡ constantearbitrqrio independiente de u. La integral defnida entre los límites ¿ y a :ó e s

loo*,','"

=

.^

= s( ¿)+ cl- = s( ó)- s ( " )

["0 *' ""o"

a

Est¿integral tambiénsepuededefinir como el límite de una suma,de forma análoqaa como se el conceptoen el cálculo integral ordinario.

INTEGRAL CURVILIÑ-EA. Sea r(u) : x(u) i * y(u) ! * z(u) k el vector de posición de (¿ de los puntos de una curva C que pasapor Pry P, corrcspondientes a u: Uty z:-a¿, respectivam Supongamosque C secomponede un númerofinito de arcosen los que r(a) tienederivad¿con Sea_A(x, y, z) : Ari + A2i + Ark una función vectorialde posicióndefiniday continuaa lo largo La integral de la componentetangencialde A segúnC desdep¡ hastapr, aP^¡,

ln . d , = .,c l, t , d r + A z d y + A . d "

l' * a ,

es un ejemplode integral cuivilíneao d,elínea.Si A representala fuerzaF aplicadaa una partlcula se desplazaa lo largo de C, dicha integral correspondeal trabajo realizadopor Ia fuerza. Si C es curva ce¡radasimple,es decir, una curva tal que una recta cualquierala corta a lo sumo en dos la integral a lo largo de C se representapor

ff t

e.at =

I

Ar d"+ Azdy+Asdz

En mecánicade fluidos,electricidad,etc, estaintegralrecibeel nombrede circulaciónde A a.lo lttgo en dondeA es la velocidaddel fluido, la intensidadde campomagnético,etc.

I, I

En general,toda integrala lo largo de una línea sellama integralcurvilínea.Estasintegfales se definencomo el límite de una suma,de forma análogaa como se haceen el cálculointegralo En los problemasresueltosveremosalgunosmétodosde resoluciónde estasintegrales. Yeamosahora un teoremamuy importan{e. 82

INTECRACION VECTORIAL

lo

I¡OlEMA. Si A :.vd_ en.todoslos puntosde una regiónR del espaciodefinidapor ar= x S az, É á¡ cr 5 z 5! cr, siendo {(x, ¡, z) uniforme y con derivadacontinua en R. f-

fP, A . /r esindependiente de la trayectoriaC en R que'rneP1y P2. t

21

Z. $ Jc

A.dr:0

a lo largode cualquier curvacerradaCen R.

condicionesel campodefinidopor A sellama campovectorialconservador y essupotencialescalar deriva. función de r dado. En

I¿;ondición necesa¡iay suficientepara que un campo vectorial A sea conservadores que V X A f r':Én, que A : vd. En estecaso, A. dr : tdx * Ardy * A"dx : dg es una difcrencialexada

l0-14).

RAL DE SUPERFICIE. SeaS una de las dos caras de una superficiecono la representada y consideremosa una dc ellas arbitrariamentepositiva1:i S es una superficiccerra¿ase toma Un vector unitario rt normal en un punto cualquierade la cara posltiva de S se llama vector rj,orma.lexterior.

)) se

Dslímites¡¡

hiemos a la diferencialde superficied,5un JS de módulo d,9y cuya direccióny sentido de n. Entonces,dS : n dS. La integral

II** =[^,0,

I I ho se i

¡emplo de integral de superficieque sellama A a travésde S. Otras integralesde super-

I

I I I rl ,l

fto

lin de (x,

ff

ds, ff ónas. o f53 JJ [!n,0"

ivada r lo largo

y' una función escalar.Todas estasintegrales

como límite de una surna,de igual forma delcálculointegralordinario(problemal7). p* L. integrala lo largode una superficie cerradaS, serepresenta

¡ partícula I Si Ces

!n 4pt

#..

o Ui.n. po, /

hra calcularuna integral de superficieconvieneexpresarlacomo integraldoble extendidaa la prode S sobre uno de los planos coordenados.Ello es posible si toda perpendicularal plano coofdeclegido corta a la superñcie en un solo punto. Si no fuera asi, tampoco representaríademasiado

ya que se podrá,en lo general,subdividirS en supcrñcies que cumplanla condiciónanterio¡.

rlo largo

NTEGRAL DE VOLUMEN. Consideremosurrasuperficiecerradaque encierreun volumen Z del Las integrales

pales Fal

III^,,, [[r,, vv

de integralesde volumen.El cálcllo de estas inlegrales lo ve¡enos en los P¡oblemas resueltos.

INTEGRACTON VECTORIAL

84

Problemas resueltos f

etl¿u ,, f ^,,0,=f tr-*,,.,, '"J fr

= rfo-,\au*

tJz;a"

= r<$-$ * ",1¡, =tf-frr*i ft 23

*,T

R(¿) d¿ '

y

3l , hal l arl al I R r' utdu

t. Si e n d o R (¿ ) = 1 ¿ -u 2¡i + zusi -

+taJ- sdu

tet * c2) + k(-3u + ca) + c1I + c2J + car

,"*

-

* IiJ - t , u * " '"rt

= t! - f r t

*

en dondec es el vector const¿nte

"r1

*

".x.

( á )D e ( ¿ ) ,I r ' * r ,r o u= < { - { l

- it .3 o4 = -,3 t( t- ? ) t + tt

= - |r * f r -

3¿k +

-

"1, -a2,314

- 3(2)k + cl

t (; -

it )l

+

tJ - 3(l)L

3k

Otro método.

li*r,0" = ' fi a-,'tr"*

1 !' 2 ," a " ,

" !' - r r u r r fr l] + h ( - r ¿ ) l;= - *t * ft

=,(+-*)l', -

- rr,

del tieEpo f = 0 viene dada por ?. I-a aceleración de una pa lcula €o función

"

:

#

: 12cos2ri - 8 s€n2ri +t6'k

:0, sabiendo que la volocidadf y el dssplazamientor con nulos en f (l,ey dc velocidadcsY do €spacios.,

hallar Y y r en función d€l

t k I l& d t lntesrando, v : i ! n c o s z rd t + i I _ 8 y ' jÍ 2 t d + :

6sen2ri 14sqs2fi

+ 8t' k + c,

j c' : --4 i' Haciendo v : 0 para I : 0, se obtiene 0 : 0 i + 4 + 0 k + cr, de donde Po r l o ta n to , r ). : con loque fi

6scn2ti + (4cos2/-4)j

Ot"n 2t i r- (4 cosZt - 4)¡ -r 8r'k'

' r osen ' uú In te g ra n d o ,¡ = 'rJ :

+ 8t¿k

-3cos2ri

H a c i e n d o r:0 p a ra r:0,

v -J i l @ cos2t-4)dt + (2sen2' -4r)¡

0 : -3i

+ | r" l

r}-l S :l r +

dr

"'

+ O¡ + 0k + c,, ds dondec' :3i '

INTEGRACION VECTORIAL t r nt o, I = (3 -3 c o s 2 r)t

f J

+ (2 s € n 2 r-4 ¿)'

85

+ $r"r.

,2 -

| ¡ rd.4¿r. d¿-

', 1.n"qA dt.

= Ax"7F+ dA i'

4,

¿,

I ^"#"=I 1 < t , ¿ 4 t¿=, ^ r 4 dt

=

dA

^r#

r 'c .

da

dcl movimiento d€ una partfcula P de masa rn viene dada por

n ¿T "¡ri; = [(r) tt b r el v€ctor de posición de P medido desde un origen O, rr cl vector unitario en la dirección y scnüdo f f(rl \Jna.función de la distanciadB P a O. - d. que , , frmostrAr

; 3 ( l)¡

¿;

: C SlenúoC un Vectorconstante.

hterpretar flsicament€ los casosen que f(r) < 0 y f(r) > O, loterpretar, g€ométricamente, el resultado de (a).

Relacionarlos resultadosobtenidoscon el movimientode los planetasen nuesro slst€masolar. Multiplicandofosdosmiembros d.

^

dft : flr)r, por r x, setiene ^

x

d'r =,r(r)r x ¡r : o dl

ya quer y 11son colinealesy por l9 tanto, r x rt : 0. Por consigui€nte,

,,ffi:o,*F"#l:, .d t fntcgrando, I x

Tr

: c, siendo c un vector constante. (Comparar con el probloma 3).

¿+ Si/(¡) < 0, la aceleración]| es de s€ntido contrario a r,; la fuerza está dírigida hacia O y la partfcula está,siqr\pre qtruídq haaia O. Si /(r) > 0, la fuerza está dirigida desde O a la partfcula y ésta se €ncuentra sometida a una fuerza de repulsión. Una fuerza que pasa siempre po¡ un punto ñjo O y cuyo módulo de¡rendeúnicamente de la dist¿ncia r al punto O se llama luerza cenlral. En el tiempo elemental /, la partfcula se desplaza de M a N, como se ve en Ia figura adjunta. El área barrida por el vector de posición en ese tiempo e3, aproximadamento, la mitad del área del paralelograÍno de lados r y /r, o sea, I r x /r, Por consiguiente,el área que ba¡reel radio vectoren la unidad de t¡empo cs ¡ r x

Ar

7i, tantán€a de barrido es

con lo 9ue la vclocidad ins-

= ¿ ¡x v = * rx lim j rx f, .tt Al A t -o ' siendoy la velocidadinstantáneade la pártfcula.La

8ó

INTEGRACION VECTORIAL magnitudH : t,

arcolar.De (a), se deduceque ¿r x v se llamvyelocídad

" #:

V el oci dad areol ar = n

=

:

zl r' dt {

consBnte

Como I' H : O, el movimiento es plano; en el caso de la ñgura el plano en cuestión€s el plano xy, (1) Un planeta(por ejemplo la Tierra) es atraido hacia el Sol de acue¡docon la ley de la gravitación de Newton qu€ estableceque dos cuerposde masasm y M sg atraen entre si con una fuerza de GMn F: " , siendo ¡ la distanciaentre dichos cuerposy G la constant€universalde l¿ gravitación. m y M las masasdel planeta y del Sol, resp€{tivamente,y tomemosun sistemade ejescoordenados origen seael Sol, La ecuacióndel movimiento del planetaes, en estascondicioner, / d2¡

CUn

d2t

,.

at'

CM

d¿ '

despreciandola influencia de los otros planetas. De acuerdo con el apartado (c), un planeta se mueve alrededor del Sol de forma que su posición barre áreas igualesen ti€mpos iguales.Esta propiedad y la que se consideraen el son dos de las trgs famosasleyesde Kepler deducidasempi¡icament€a partir de las por el astrónomo Tycho Brahe. Estas leyesfueron la basgen la quo se apoyó Newton para ley de la gravitación universal. La te¡ceraley de Kepler la ve¡emosa propósito del problema 36.

5. Demost¡ar qug la trayectoriade un planetaalrededordel Sol es una elipse,uno de cuyos focoses dicho De los problemas4(c'l y 4(d), dr

( 1)

=

(2t

txv

como ¡ =,q. (3 )

)

=,-oi' h

o e Ol, f

-

ir,

=

xh = - 4r ".¡

2H

rl

h

-

con¡ocual. = t\x

rxv

CM ----

-

dtr - ' -

= ,2\* 4!L

(rd:t,frr" l

= - GM 4x qr r ' ff1 = - 6,Ml1rr.df¡ r, - ( h . r 1 ) + l = cM + dt dl = o (problema9, Cap. 3).

aplicandola ecuación(J) y teniendoen cuentaque ".# Como h es un vector constante

*tll ^ ¡ = 4 rv ' n r dl

= 6l l :+

l tv' hl vth

Integrando, de donde

r.(vxh)

v

= C M\+

=

G M t . 1 1 + ¡ 'P

=

GMr + rr1.p

=

pt

CMr

+ rpcosA

siendo p un vector constantearbitmrio de módulo p, y á el ángulo formado por p y r,.

lr "l

!+-,

C o mo r.¡v x h ) = (¡xv).h = h.h = 12, se obti eneñ2 = GMt + rp cos á,dedo nde ,2

C M + p cosA

"-

h2/cM _ 1 + (p/CM) cos e

INTEGRACION VECTORIAL

87

lrometria analítica puede verse que la e¡uación de una seccióncónica con un foco en el orieen

qcentricidad. esr :

T¡fcos

0,

siendoc una

ComDarandoestaecuacióncon la obtenida se deduceque la órbita es una sección de exc€ntricidad( : plGM. La órbita descrita planetaesunaelipse,parábolao hipérbolasegún . seamenor, igual o mayor, respectivamente, que Como las órbitas de los Dlanetasson cerraforzosam€ntese trata de eliDses.

CURVILINEAS

l4yzi + 2bxzsk,trattarf A.ar desde(0,0,0) a (1,l, l) a lo largode las J¿

do A:(3¡¿ *6y)iintes trayectorias C: ,:l,y:I¿,2:t!,

L¿s rectasque unen el punto (0,'0, 0) con (t, O;O), y el (1,'1;O), con el (1, í, l). I¿ rectaque une los puntos(0,0,0) y (1, I, l).

n'0, =

f

=

,

\

,¡ \

t+\( !,\+ tl ,lr 2/ I

.@rr+ e! + dzk) Yt f [rr""*rr, - rqzr +2o,z2tf

4

+ ,,

* ,, dz f Wn rr¡ - r4r¿í! + 20,22

si¡:r,-/:r!,2:r!,losfruntos(q0,0)y(r,l ,r)correspondenar:0y/:r,¡espectivamente.Eotonc€s

fr' Jn -

*ar

=

) l l rr+ a r¡d t ¡:^

-

l {(¿?)(¿3)t(¡2)+ 20(r)(rs)2 d(¡s)

.

=

| gf ú - 2gto ¿t + 6oced, ú=0 fr1 = | 1s/ -z1t6*6ote¡dt = 3¿3- 4¿"+6¿D| Jo

,,\

, { i j ) r , l a) =

s y . * d x - l^ '\= o 1,4.-"

'4', c ,1" c

b¡ go de C, A = g t2I - 1 4 t6 t ! + 2 Ot7

y

.= r l + fl + z,.= tl + .2t

+ ¡sI,dedonde ¿.-(l + Zt!+ g.21)¿r.

ut', df

Ií-. 1 \\

ul

o , o

--

,Xl 4 1' { (0: : g, (r, : o) con o, o) es[O d, dy o, y!1 dz: t. * o!"" o""o'" F 11"]lp:-d."_fl lle,ln: "]nn scgun esta parte de trayébtona es -regral f 1

l^

¡r

(o) = | (s"*e<ol)a,- r{ (0)(0ii0)+ 2o¡(o)2

l-*, d, = ,sl

, r.l

x J - - o/ r t J = o o A lo largo de la rectaque une (1,0, 0) con (1, l, 0) €s ¡ : l, z : O, dx :0, 0 ¿ l. La integral segúnesta parte de trayectoria . "t f7

J

| {r<r¡"+ey)o - r4te)'dy + z0(r)(0f0 = o r.-r.

'=o ..

L

t

,l

¡iv"'tYlJn

; ,'¡ l Jv +l-ov /

r)

¿" .f 1

dz= = ocyvaríade

r - r J u /l ) o

\r.!

INTECRACIONVECTORIAL A l o l a rg o de l a ¡€ctaque une (1, 1,0) con (1, l , l ) es x: de 0 a l. t¿ integral s€gúnesta pa¡te de trayectoria cs f1 (3 (rf16(1))0 | JJ z=o

l 4(1)z(o) - zo(r)z'^rrdz =

I, y:

| zor' d" z=o

I, d x: O ,

dy: O

=U !1'=z o 3 'o 3

Sumando,

(c) La re.ctaque une los puntos (0,0,0)y (l,l,t) viene dada en forma pa¡amétricapor x : ,, : ./ ?-¡

eor lo tanto'f-n.ar

dt + 29 1¡¡ -- l- ,tr"*u,rr, - t4(r)(¿) ¿, 1¿¡2 J

¿(1

=

dt = or"*er-rtt2+20t3¡ to'

.f

= f [ot <u-rrrrrror3lar

H¿llar el trabajo total realizado para desplazar una partícula en un campo de fuerzas 8 : 3xy i - 5z i + l0¡ k a lo largo de la curva ¡ : t' + l, y : 2t', z : t5 desde/ : I A , : 2.

Traba¡ototaf = f ..r, Jc' -

-=

f Jr^tut'-

= =

Jr"rrdx f' J'\ t=,

= Jr'

5zJ+ 1¡'¡''t"t

+dvt+dzl\

- Szdy I llt dz

l¡,"t¡12,") ¿(t2+1) -

5(ts\¿(2t2) + tolr'+t¡d1r3¡

or* + lota+ r2ts+ 3o¿2)d, = 303

8. Siendor : 3xr i - r" i, t utlarjrt'dr

a lo largode la curvac del plano¡y de ecuación r:

el punto(0,0) hastael punto(1,2). Como la int€gración es en el plano xy (z : O\, hemos de considerar r : ¡ i + ), i. En estas

l J¿

r. o, - Jc| ,u, , - ,' ,r.,n,,r o,,', =

I*tdx- y2dy

Primer m¿todo. Haciendo ¡ : t e¡ ! : 2¡', las ecuacionesparamétricas de C son ¡ : I, y : 2l'. tos (0, 0) y (1, 2) corr€spondena / : 0 y, : l, resp€ctivamente;por ló t¡nto, frtfr

l-".a, =

' ot = -t f dqzt2 ¡ = f ter"-ror6) f' "u\<r,'\o, - 1zt2 Éo tlo

Segundométodo. Sustituyendo directamente / : 2¡! y haciendo variar x desde0 hasta I resulta

J^r.a, ,

=

) r=o

vo,'ta'

¿, = -1 - e'¿\2¿(b2\ = J (6'3-16'6) x=o

Obsérveseque si la curva se rrcorriera en s€ntido contrario, es decir, desdeel punto (1, 2) hasta et el valor de la integral obtetrida seria Z6 en lugar de *?6.

{\L!\q\-::3

y

INTEGRACION VECTORIAL

r: o v z

r d trab¿jo realizado para dar una vuelta a una partfcula alredcdor de una circunfercncia del plano xy, aEtro es el origcn, sabiendo quo el campo de fucrzas corrcspondient€ os F

20 3

=

(2 .r -y

+ z )i

+

+

(t + y-" 2)i y

z = 0 , F = (b .-y )l + (x .+ r)t+ ( 3' .-zyr} '

(3r-2y

+ 42)k

¿r--dxl + d!!,con l o cualel trabaj oreal i -

* (' + 7), + (3r-?t)k] [r.'* = f, t,u-r',' = f , *- r r n*"(t +t) ¿f

. [¿" t + ¿rJ]

.tC

C-onsiderando como ccuaciones paramétric$ de la circunferoncia I cos t, y : 3 sen t en las que t varía dc 0 a zfl, como se v€ en la fic integrando, [2(3cosr) - 3senr] [-¡s e n ¡]¿ ¿ + [3cos¿ + 3s€nr] [3co6r]dr bcrzas dado

\ r : 2.

2n

(9 - gssri,cos¿)d,

= n,-Z**,l'" = ,6n

tomado como s€ntido de r€corrido de la partfcula a lo largo de C al de las agujas del reloj, que es cl que cstabl€ceremoscome Si C se hubiera r€corrido en s€ntido contrario (nogativo) el valor s€rla-lE ¡.

t =t l +! t =3 c o a ¿ i +3 8 e n ! ,

fado F : V C y d uniforme con derivadas parciales contiDuas, d€mostrar que el trabajo ¡ealizado para Gplazar una partlcula desde un punto Pr = (xr, y,, z) del campo a otro ¿ = (r., ¡, z.) es independientc b trayectoria soguida. kip¡ocam€nte, t¡lor

si la integral curvilínea ft f. a, independiented€ la trayectoria C que une dos ", JC cualesquiera,demostrar que €xiste una función C de forma que F : VC.

=

rcarizado= I::r.-

=

=

l¡

* {" ü # - '{n ' l-¿O

= ó(p) - óet)

= óFz,yz,z) - +k1,r1,21\

Por lo tanto, Ia integral dependc rlnicamonte de los puntos inicial ¡r y final Pr, y no de la trayectoria los une. Evidentemente, esto solo es ciefo si d(¡, /, z) es uniforme en todos los puntos Pr y ¿.

Por nipotesis, de ta tr¿yoctoriac que une dos ' J^ f F.dr es independiente

F:F,itF,t+F¡k. lrtos

cual$quiera (xu yu zt) ! (x¡,l¡

Q@ , y , "|

ol puúto

. ff* , . (d ' + t ¿ rt+ ¿ z r)

t , #, r $, rP,

=

I'orr.*

=

f (r,t,z) | ¿(ztyt,zt)

indepcndiente de la trayectoria

z¡). Por lo tanto,

F. d¡

=

f (t,f ,z'l F l d r +F 2 d y +F s d z | J(tt,yL, z1)

que une (i,, y,, z,\ y (x, y, z).

For consiguiente,

90

INTEGRACION VECTORIAL

_ r Q+ ^ ' ' /' z'F'l dr _ fr',!,2) r(t\,t7,2L, r(t\ yL, z

S 1 x + L t, y , z ) - ó@ 1,2)

F.dr

r)

, I!',i,:]"'

- Lo"'.''"'

F. dr

F 'd r

=l,l,'),'''"' F.dr

-

(' + ! , 2 \ ^x, f r(x,y,z\

F l d z+F"d y+Fsd z

Como fa {¡ftima integral debe ser indep€ndientedel camino seguidopara ír de (x, y, z) a,(x } podemos€lagir como trayectoria la re{ta que une dichos dos püntos, con lo que dy y dz son nulos, condiciones,

= * f,lo.o,'''"' "" = cuandoA¡

ó(x+ 4" , y, z) -

óe,y,",

Tomandolímitescn losdosmiembros Análogañcnle, sepuede demostrar O*

- o,seobriene, #

= n, V {

#

porforanto. F = Fli+ F2!+ Fst=#;-#r,

Fl .

= n. = Or.

#*

l' 2

n.dr es independientede la trayectoria C que une P, los puntos P¡ y ¿ el campo Jrllama campo conservador. Si se verifica que F : V C, F es conservador, y reclprocament€. Si

Deñostración vectorial. Si la integral curvilíneaes independi€ntede la tray€ctoria,

e4,y,z\ = l(''t''\ ,.0, = l"','" J1x7,11,t1\

J 1 x 1 , y 1 ,z ¡

Derivando.

dg = o.d, ds ds

, ero

dó a ¿| = v @ 'd : : 'c o n l o c u a l ' á

Como esto s€ debe ve¡iñcar con independencia del valor de

ff,

".*d s

( v @ - F ) '; ;

n" t¡

resulta F :

= 0'

V C.

ll. (a) SiendoF un carnpoconservador,demost¡arque rot F : V x F : 0 (esdecir, F esun campo (ó) Recíprocamente,si V x F:0(es decir, si Fes un campo irrotacional), demostrarque Fes (a) Si F es un campo conservador,segúnel problema 10, verifica que F : -.r Por lo tanto, rot F '= V x VC:0 (problema27 (a), Cap.4).

t (ó) Si Vx F = 0 , se tieneque

k

¿ ¿"

a

¿

ér

dy

F1

F2

ol s

;; f

J

7P"

= 0

D¡,

v{.

y por lo tanto

?f, '

9& - ¿f' Zx-

7y

T€nemosque demosÍa¡ que F : V d se deducecomo consecu€nciade esto. El trabajo rcalizado para mover una partícula desde(x,, ¡, zr) a (x, y, z'¡en el campo de

INTEGRACIoN vEcToRIAL

91

f J^

rí@,y,2)d'

+ F2@,y,2\dy +

FoG,y,z\¿.

(.r.,,y.r,zr) con (x, /, z): Tor.nandocomo tray€ctor¡a ta qucbrada qu€ pasa por 9., "13 l:n1rra¡3. (x, y" z), z), (x, :."a y, z,) y (x, y, z), y lamando d(¡, y, z) at trauijliáiir"ao'a to targo ¿e'e¡ra,.--

ó(z,r,zl

=

aqui se d€duc€, * o2

a(¡ +

=

aó

nulos.

Fo( ¡ . v . z l

Fz",,r."i+

of

F2a,!,21)t

olz

T

f",

f""r*

(x.r ,z\ d¿

oo,", n"

F2¡z,y'z)+ F2ú.t,z')1"", = r"g,y,"t¡ + F2u,,r,.) - Fie,y,"tl = F2e,r,z)

aó =

F1.1'r,fú zi

+

F\(z,r!,zL)

+

' L,*o,,,rn" Il ,&o','"u', * [] fi o,r'"'ro, f"",!or,"'ta"

F¡(x,y1,z) + \(',r,.)\f,, t Fa@,!',z') + Fr@,y,zi -

lo t a n to , F

=

F rt + F 2 t+

F sk

rr<,na1"",

F(x,yL,zL) + F1@,y,zl-

=

l,{

i rt ót

lügo campo

+

F(t,!,zi

=

F1Q,y,z)

#,'#* =v é.

la condición necesariay suncientepara que un campo F seaconservador esque rot F : v x F:0. r que F_: (2xy *.2¡) | * ¡¡ i + 3¡zr.k €s. un campo de fucrzas cd¡scrvador. (ó) Hall¿r el cscalar del que deriva. (c) Hallar el trabajo realizado p"r" a"rpi.á. un cuerpo en estc ci¡mpo ( t ,-2 ,l ) a (3 , 1 ,4 ).

ún el problema ll, a ra condición nec€.aria y suficiente para que una fuerza sea conservadoraes que F:V x F :0 1

Ahora bien, Vx p =

ooó

= 0.

a ,6t ! *

"t

z2

3xz2

Por lo tanto, F es un campo de fuerzas conservador

r --92

INTECRACIONVECTQRIAL

(ó)

Delproblema lo, F=Vd ),^

o

= vy + 23

1t1 i:: o,

*Pt

F, o,

o,

),A

(2)

= qyc.¡ +23¡r+ z21+ 3xz2¡.po,1o

oz -P*

)-A

- ,'

-:r óy

(3i Y - 3,t' ó¿

lntegrando(.¿),(2) y (J) se obtienen,respectivamente, Q

=

ó

=

" '/

+

+ l1y,z\

xz3

,'y

+

8$,2)

xzs +

h(z,y\

Esto se ve¡i6ca si tomamosf(y, z) : O, g(x, z) : ¡tt, h(x, y) : ¡tr, con lo cual f : x"y t una constante.

xz'

Segundo método. Como F es conservador, I R, ar es independientede la trayecto¡ia C que une (¡r, ¡,, zr) y (¡, ¿c Aplicando el método del problerna I l(ó), ft

=

a e ,r,z )

f.t

| Jr,

t ¡ Qxyl - z3'dx

=

'"!r

=

t2y

""?, + ,,t

-

Tercermétodo. F.h =-Vq>.d,=

Q

=

dQ

= t"y

+ ¡:3

1¡¡ Trabajorealizado=

ur" a" | JzI

", qr2 yr+,""r)lir, *, l!r, , """ li,

=

Entonces,

l' ut,

fz

*

,' ay

F. d¡

=

r'ry, "'rf,

$*

tr"t,

-

^ r2y =

"r"l

(bty + z3) dx

+

= oO

+

x2 d!

3zz2 dz

+ constante.

rP2 F.dl

.t P-

-

. -

l^"

,u, t z3) etxt J dy , t,,2 ,t"

fP , d(x'j . " |

+x¿-\ "

= r'y -

+ xz"" ,|h

Pr

.

= x -r '

1t\3'7'4)

+ xz- L (

Otto ¡tl¿lodo, l)cl apartado (ó), QG,t,z' ) = ,' y

lr

Trabajo realizado = c(3,1,4) -

r r" " + constante Q(r,-z,t)

+ xz'

-

xzl

x2y + xz3 + constanúe

- ffL,

- {0,

r'rr

-

= zoz.

1,- 2,1)

INTEGRACION VECTOR¡AL

Cue si

F. dr

I

PÁP,B\

cs indopendicnlo d€ Ia trayectoria que une dos puntos cualesqu¡erap¡ y p. cn

f

F'd¡ = O pars todas las curvas cerradas en dicha ¡cgión, y rccfpre¿mcntc. I J la curva cerrada que s€ repres€nta en la ñgura adjunta. Entonces,

dada, se verifica b

I ,.*=

\AP28P1 t f ¡.

=

It

tf

) r ,ar

PatP2

_

[r .*.I

l1AP2

F. dr P2BP1

JF.dr.=o

Pr8P2

!E la integral desde P, a N a lo largo de la rama ,l ec igual, por que a lo largo de la rama ,8. G¡,

Lcíprocamente, ,i f r.a, 0, entonces -

[ ,.n,="rrfu, I ".*, p2lpa f ".n,

:.-tírap,

n*'r,{r,''* =

fr.n,-

eriP,

f..r.:

rrfu,

o

r,fr,''*'

que la condición necesaria y suñcient€ parr quc ¡idr hostrar .Era €s que V x F - 0 s i e n d oF :F ,i + 4 1 + F , t.

I F¡ dy I f, y'2 sea una difc¡enci¿l

que (yt z¡ cos ¡ - 4x' z) dx + 2zty ff,in-i'dy + (3.v!zrs€n¡ ho6trar - r.) d¿ es una difcr€ncial exacta ü tma función C y hallar 6. a Ó a6 -aó " l g o ngam os qr e F t d x + n d y + F .' -Ñ dx + dv * -* dz; sca una diferenci¿l exacta' 7v c@ x, vv z son variabres ,ra"J'a;:,:

n :# ' r,:{' r ,- ff crocuarF : F,t+ F,J+ F,k: # i + ff t + $x : v t.

LuegoVxF:VxVl:0.

, Reclprocahente,si V x F: O s€gúnel problsma 11, F: VC conlo que F.dr:1ó.th:cll, ¡¡ &cn, Fr d¡ t F¡ dy * Frdz : dC, es una difcrc¡rcial exacta. f : (y:z¡ cos.¡ - 4¡.z)| *2z.y*nx| rFrtado (4),

+(3/rz.sen¡-r.)k

y V x F debo s€r cero, y, scgri,n cl

(!,2. cosx - 4x.z) dx + 2zty en r dy + (3y,2' sr,rrx _ xrl ¿z : d6 tdi<¡odo uno de los métodosdel probleña,12seobticne / : .¡rrz¡sen¡ _ ¡.2 + constanie. f u campode fuerzascons€Ívadorde forma que F : -v

c. supongamosque una partfcuradc masa

m se muévl. en este campo. Si I y I son dos puntos cualesqui€r¿ d¿l espacio, demostrar que

ó<A)*trnlt:

¡(p¡- ¡nt,."

v/ y y¡ los módulos de las velocid¿des de la partlcula en A y B ¡esp€ctivaÍrente.

- -94

INTEGRACION VECTORIAL d2¡

=

,.i Lueeo

f/.

^ i. ¡ F

=;

d ,dt,

i, G

= E*fn = i^,', - i^q Integrando. .f,t ..0, (u ..r" = - fu vo.n = - ft ¿e = ,p(A\- e@\. si F- -v@, ' J1 JA J1 Por lo tanto, ó(A\

-

=

ó@J

-

¿^ú

[^$

como queriamos demostrar.

El valor d(.{) es lz energíapotencial ei A y lmvt^ la energía cin¿f¡ca en dicho punto. EI blecequo la energíatotal en I es igual a la energíatotal en I (conservaciónde la energfa). ha puesto un signo menosen F : -V é.

f!'l Siendoó : 2xyz", F .' xy i - z i + x! k y C la curva .t : t', v "- 2t, z: las integrat€s curvilineas

I e dr, (b) | f x dr. J¿ Jc

tol '.

(a) Alofa¡gode C,

= Zxyz2 = 2 (t2) (2t, (t3)2 = 4te, = t2 l + 2t!+ tsk, = ri + f!+ zk

Ó r

r3, desder -.0 a t:

y

dr = (2ti + ü + 3t2k\ d¿. Po¡ Io tanto'

¡ a

t^

| *o ' = ./c

J f! i | Jo

nf trtt + 2l + 3t' k)dt rr 8rrcdr + ¡ | Ja

erear *

I

11 r2t1' dt = ff i I Jo

r ii'

tr

l

.!, (ó ) A l o l á rg od e C , F= zyl - z!+ z2 l = 2toi - r3¡ + rak. Luego F x d r

=

(2t3i -

l"¡

I

r

2t3 -tt 2t r

d€ dondc

2 fo'

+ l o h ) x ( 2 t l + 2 ! + g t 'k t ¿ t

kl * (4t"* 2ro\l t" I a, = l<-ef -ao\i * 12ru-Gr"¡¡ 3r"l etr" - zrota, * r Io

¡-4t6¡dt + r, fo' $r"rzro) a,

-f ii-3, . t * INTEGRALES DE SUPERFICIE

fr 17, Det'rnir | | JJ J

n.n dS extendidaa una superñcieS como límite de una suma.

/S' corrp :1,2,3,. .., M, y tomemos Subdividamos el área s en M elementosde ye, z)- SeanA(xo,yr, zr) : A, y n' €l Yector cualquieraPr, del elemento/S¡ de coordenadas(xe, ^rea no¡mal exterior a ¿SD cn P y formemos la suma

.--.

\

a

INTEGRAC¡ON

VECTORIAL

'':

i t

^ h .r9A s t

l=t

Ar. n, la ,cothponente normal a Pc,

El línite de esta suma cuando dc forma quc le m¿yor difiren- ¿ cada uno dc los elcmcntos /S, a c€ro, si cxiste, se llam¿ inte& superñcie dc la componentc dc A oxteodida a S y se rcpre-

[

^." n t

Bndoquc .R ca Ia proyccción de la supcrñciq S sobrc el plano xy, como so obs€rva en la figura dcl pro-

1 7 'd e m os tr¿rque f f n.rrt JJ

=

,t'P

f ( n.n¿-!&. In'kl JJ

Sogúnel problefrE 17,la integralde superñciccs el lfmito dc la suma J -

A^. ¡^ A5^

I¡ proyecciónde y'.t, sobreel plano ry cs l(nor'Sr) . k I o | ¡¡ 'k I ./S, quo es igual t Axrtyt

orc 4s;.##

&

. Luegola suma(1)scroducoa r^

tr

i. ^,'n^P+ P P 1 ¡n ' \ l

;,

Scgrli cl .lcoroma fundafncntal del cálculo intpgral, cl llmite dc 6ta sum¿ cuando M -+ oo de forma quc ,rayor de Axo y lyo tienda a c€ro es

íl *"trfi

sc qucrla dcrnosÚa¡. pcro so pucdo dcmostr¿rqqc anbos diform €Nr " ffi, dc ordcn supcriora ¿xD A.yr,@n lo s,rd bs Umttet&, (I\ y (A no varlan.

En r€alidad,/S, no €3axactamÉrir,3 isilA

$

-

"dS

, siendoA : lEzi - t2J+ 3yk y ,t la región<tetpranozx +

it

d prirnpr octantc. En la figu¡s sdjunta se¡€pr€sentatrla superficicS y ru proyccciónsobreel plano ry.

+ 6zf= 12situsda

.

==n

INTEGRACION VECTORIAL

96

ll *",*#' P

i(U

Para obtoner n obsérveseque un vector p€rpendicular a la superñcie 2x | 3y * 6z: 12 viene + 3y t 6z) :21+ 3, + ók (problema 5 del Cap. 4). Luego un vector noÍnal en un

GSura) es

"=#+=f y '2 '+3 '+6 'i-f lr-f -r P o rco n si guiente, n.h = ( + r - fl .$u.r

= f

t

También,A.n = (18¿¡- t2J+3yk\.(+t*fiirfu teniendoen cuentaque z = !3=Z:y,

' #r = la,ay . -

362-3-6+18/

de la ecuación des. Luego

f[,t ^'"o' = l í * "# # , = f f r f f f t "" R R 'R

= ['u-" " 'o'

Para hallar esta integral doble extendida a ¡, mantenemos ñjo .x e integ[¿mos con resp€cto a y:0(Pen

la 6gura) ay :

1'' _)

'"7u

(Q en la figura); a continuación,integramoscon respectoa

x : 0 z x : 6. De esta fofma so recorr€ .R por completo. Haciendo operaciones,

"

fu (Gz-2"/' $-Lr)tt.dx lo yr=o

=

lo ,rr-12,.\2¡a' /=o

=

24 -)

Si hubié¡amos tomado como s€ntido positivo del voctor unitario normal |l Gl opuosto al de la figura, tado obtcnido s€,rl¿.-U. aa

z). Haffar

ff JJ

a.n aS, siendoa = zl+zi-3y2zk

y.i la superficie delcilindro ¡'

J ló situadaen sl primer octanteontre z : O y z :5.

l'

Proyectemoss sobre el plano xz, y sea .R esta proyección como indica la ñ8ur¿. Obsérveseque caso no se puede hacer uso de la proyección d€ ,Ssobre el plano ¡/.

INTEGRACION VECTORIAL

97

f|?

=

JI^'"0'

II ¡.n l 'o.', JJ ln. J I

5

P

¡¡ mrrnal a ¡, a /r : 16es V(¡' * yr) : 2¡i * el vector unitario normal a S indicado en la .- 1

= -ZJ:ZL- ri+yj 4 / ¡u¡' t 1zy¡'

^

¡: -r )r'z: +.

16 en S.

x i + ,tl (-..-+ ) =

= (zi +x l- } y 2z lr \ ,

xy\

i?z+

* t = it : r t . t 4 + . I ' t¡lral de superñcieef

dz =

¡l |

G" ra\¿,

= 90

i

I Ir"

dS siendo ó =1"y"

y.SIa superficiedel proUtcníi ZO.

J

)) o.o'= JJr"frfi ff

hdremos,

r?

3 ,?

ltfiiendoquen= "t!n,t ,n.t=\

como en el problema 20, esta última integral es 15

JI1"o""'

a ,a z - ! I óJJ

?*

I

6",1*,"/ñly¡ d,d"

z =O x =0

R

f,

- -1 I 8 J

= yi +( x- 2rz)i-xyk,

hallar

f I z' : a' por cnaimadelpl*o

JJ t "y.

r ik

9xp =

oo o

= ,l + y l -2 2 k

t ¿a" |

, -ztz

-x!

I¡¡ormal a x2 +y2 +22 = a2 gg 9p2+ y 2+ 2 2 ¡ = ' u l I

, z .y ! * z " t

= l00t + 100t tQ!"t + 9!zt\dz 3 3 -',

(VxF). n d,S siendoS ta superñcicde l¿ esfcra

INTEGRACION VECTORIAL El vector unita¡io n de la figura viene dado po¡ ¡

= 4j t:-U i -1]4 y'4r' + 4f2+ 4t2

-

' l + tJ+ zk

ya quc .x' * y, * zz : a2. La proyección^deS sobreel plano xy es la región R limitada por la circunferenciax, I y" _ a", --, como se ve en la figura. Entonces, ff

?r

= JJ tV' r r .na s JJ r v,r l." 3 ld ' JP =

fr

I yi- 2zk\.( ' !u:4\

JJ "t R

= f' ,t-"

f*

* - 4)

'o"!+4,,0. v a'- x'-1'

,=_",u,,

¿l?i::'":UTY:::"",:/:-#l;,llJi"lál?ilT""T"J,iilt:T: :1.* oooo. .f* f" !P2! v a'- 9'

¿"=o

f-

olo

^!o

f" 'f4:!)-!,opoE a2- o2

!=o

fl n2

|

,J D=0

|

J p=O

'./

t-3,t, a2- p2 , -!=L=t ,/-2

¿, ¿a

^2

a2r

Si F -- 4r¿i - y2i + yz.",, halar

I J

la ' -7 t " "

a2, I J-

to"-o3l ¿ó

Il..r,lt

siendo.s la superñcie del cubolimitadopor x I o, r-1, y=0, y=1, z=0, z=1. por lo tanto, '/

CoraDEFG: n : i, ¡ : l. aa

rJ// DEFG

r."as = I I J^ J., f

=

¡

E

\¡¡\,-

|

Gzi-12 i,vzk). idydz

/r1

ll Jo Jn

42dydz = 2

- ".,Tp, t

=

n

l"

l¿a

' p = o 1 -Y

INTEGRACION .VECTORIAL

99

r : -¡, ¡ - 0. Por lo tanto,

r-rrs

=

L f-¡JS

=

Po,to tzrto, /

a'a"= !' l' ,*,r-¡+zl).j I'f'-a,a"

r:-i,y:0.

.¡ ds =

t+yzrt.(-i)rk rt z = o

["['nf

Por lo tanto, O lr l fr

| | vo lo

r : k, z : l.

(4tz lJ. (-t) dz dz

=

0

Por lo tanto,

. t ¡ - - k ,z :0 .

Por lo tanto,

= F.",ts I'l'

Fv"ll.i-n¿"¿v

= o

ff '.''n'=

2 + o + (-1) + o + á + o = !2'

J

de integral€s de superficie hcmos consid€rado cl caso de superfici€s de dos caras. Ponor un ejomplo r[porficie de una sola cara. una tir¿ de papcl, corno .IBCD e b frg1'J,fn,, y doblamos do forrna que los puntos c¡igan sobre D y C, rsspactivamsnte, como se ve f3ura inferior, Si n €s el vector unitario noÍnal cn un punto P d€ la suporficie, al desplazarse erpl¡ficie invierte su sentido original cuando llsga ro a-P. Si inúentáscmoscolor€ar solamenteuna rs darlanos cuenta d€ que sg h¿brl¿ pintado toda Esta sup€rficie, llafiwda bqnda de Moebiüs, es \Í de una superficiede una sola cara. Este tipo dc tsmbiár se conoce con el nombre de superficie , micntras quc las dc dos caras se llaman

ifi

DE VOLUMEN l:15+'y,y

Y larcgióndcl cspaciolfunitadapor los planos4x +2y + z:8,

un**fifoor-.límito de una suma.'. (ó) Hallü

la integr¿l d€ (a).

¡:Q,

y:Q,2:Q'

INTECRAC¡ON VECTORIAL

100

(a) Subdividamos la región Z en M elementos de

volumen cúbicos, ÁVp : A¡rlyo¿¿u "on k : 1,2, .. . , M, como se indicaen la 6gura adjunta, y sea (¡¡,, /r, z¡) un punto interior a estecubo. Defrnamosó(xk,yt¡, zk) - {t y consideremosla suma S^ ¡ ¡

r¿ )

extendidaa todos los cubos posiblesde la región. El limite de estasumacuando ñ1 óo de - ,l r/¡ forma que la mayor de las dime¡siones ti e n d aa c e ro , s i exi ste,es

rrf

| | | o,l l .

s"

.]JJ 7, puede demostrar que este limite es independient€ d€l método de subdivisión siempre que sea continua en ¡/.

Convieneprocedercon orden al extende¡la suma(,/) a todos los cubos de la región. Una a elementosde volumen es su¡n¿r,en primer lugar, todos los términosde (1) correspondientes en una cofunua, como la representadaPQ en la frgura.Ello equivalea mantenerfijos rr. e /| y A continuación,se puedemanlener6jo xk y variat yk. Ello equivale a suma¡ todas las columnasPQ tgnidason la rebanadaR.5y, por ¡o tanto, a suma¡ todos los cubos contenidosen la misma. se varía ¡¡ y se habrá extendidola suma a todas las rebanadasposiblesRS. En el procesoanterio¡, se ha efectuadola sutna variando primero z¡(, después/* y, po¡ Sin embargo,esta suma se puede efgctuaren un ordeq cualquisra.

(á) Todo lo dicho en (d) se aplica en €l cálcu¡o del valor de Ia integral, Ma¡tcliendo ¡ e ), integra desdez : 0 (basede la columna PO) h¿staz :8 -4x *2y (altura de la columna PO). A tinuación, se mantieneconstante¡ y se integ¡a respectode /, con lo cual, ie habrán sumadolas cuy¿ bas€estáen el plano xy(z : O) desd€rR(en donde y : ¡¡ hastaS (en donde 4¡ + 2y :8, o y :4-2x); l¿ integración,pues, se hace desdey : 0 hasta .¡r- 4 - 2¡. Finalmente,se suman las rebanadasparalelasal plano /.z, ofectuandola integ¡aciónentre x ==0 y x .= 2. Por Io tanto, rnos escribir ¡2

J

^Íl

45,2y dzdydx

.

45

^2

|

/.q-2r

|

, 2 y 6 - a t - 2 y\d 1 d .x

x =0 y =o

-

45 I ló

}*'G-ut'd.r

= r2B

Nota: El r€sultado s€ puede interpretar fisicamenteconsiderándolocomo la masa de la en la cual la donsidadd va¡ía con a¡reglo a la ley E :45rzr.

2 ó . Se aF :U z i -x i +

y' k.

u^n", !!!v r

dl

en donde I/ es la región limitada por las

x : o , y : o , y : 6 ,, : x2,z : 4.

l,a región ,/ se recorre(a) manteniendo¡ e y fijos e integ¡andodssd€z: x'hasta z :4(base y ¿ respcctivamente, de la columnaPO), (á) manteniendofijo ¡ e integrandodesdey:0 hasta),:6(de e n l a fra n j a )y ,fi ¡a l mente,(c)i ntegrandodesde¡:0hastax:2(endondez:rrco¡ta¿z: 4) . Así la integral es

i

ArI l0l

INTECRACION VECTORIAL

t :'l:

r_ 1::

1,:

I

l t + I t

t a

t :

I

I

f'

,u" , - ", + y2k) dzdydx

¡ *

, r f"l'r:

dzdldx 2'';2 'f l,:Í,', 'Í,'1,'l: 1 28 i

+

24j

-

I

y2 dz dy d,

384k

volumende la región limitada por la intersecciónde los cilindros x' + y' :41 y x2 + z2 : a'.

I

I

7 7,

8 vecesel volumen indicado en la figura.

Volumei pedido

=

nliiz

nTo2-,2

B Ittt

|

|

,=0

y.0

ll'-o,

8

|

z=o

n /o 2 - t2 ¿

a,ava,'

r o 2 - x' dydx

=81

1o"- rt¡ at = $

r= a t= o

I

:,i-_l

102

INTEGRACION VECTORIAL

Problemas propuestos R(r): (3r!- ,) i +(2_ 6t)i_'4tk,haltar(a¡ l'R(r)dr y (ó) fn*() rr. 28.siendo Sol. (ot Q'- t"l2)i + (2t -3t.\ l-2r'k

m . Y^tt^, u i + 2 cosu i\ du tl fo"/2 "en

.

J

J2

+ c (ó) 50i-32i-24k So/. 3i + 2J f2

f0.

DadosA(f) : f i-r'j

+ 0-

l)k y Blt\:2,,i*

6rk, hallar(a) l-

JO

sot.(att2 (á)-24r-Tt + Tk t¡1 o*osA : ri - 3i+2rk, B : i - 2t+2k,c : ::+4 - k, tratta.{o{ t7

á.¿

so t.(o )0 (ó )-ti -;i +;k

@)Ío A X B d'. ^.Rdt,

2a

. l x C ttt,6¡f

2 ¡ xlsv

r{

La ace¡€ración de una partlculaen funcióndel tiempo, = 0vienedadapors :e-ti*6{t + l)l + 3 Sa b i e n d o q u e l a v e l o c i dadyyel despl azami entorsonnul osenel i nstantei ni ci al t:O, hallar vyr sn del tiempo (lcy de velocidadesy de espacioso ley del movimiento).

,9o/. v: (l -e-t)t-(3t'+6t)

i + (3- 3 cos¡) k,,r : (f - ¡1s-,¡ i-(r¡*3rt) j + (3r- 3 s€nr) k

33. La aceleracióna de un objeto en función del tiempo ¡ viene dada por ¡ : -j'j, sicndo g una Sabiendoque en el instanteinicial ,:0, la velocidadesv : ro cos 0o i + yo sendo j y que el des! esr:0, hallarvy¡en funcióndel tiempo, > 0, Estccasocorresponde almovimi€ntodeun proy€ctil por una piezade artillería con uD ángulo de elevación0o y una velocidadinicial de módulo vo. ,So /. v : rre c o s 0 q i+ (vosen0o-at)i , r:(rocos0o)ri + [(ro s€n8o)t-]gt' ], /4ta . l H a tta r l ' n .!a , ,J

s i A(2):2i -j

+ 2k y A (3):4i -2¡

+ 3k.

S o¡. l o

35. Hallar la velocidadar€olarde una partlculaque s€muevea lo largo de la trayectoriar : acos úrti + ó s€tr siendo a, ó, ú.¡constant€s y t el tiempo. Sol. labot k 36. Dcmost¡arque los cuad¡adosde los periodosde los plan€tase¡ su movimiento alrededordet Sol son cionales a los cubos de los semiejesmayo¡es d€ sus Íaye¡torias eliptic¿s (terc€r¿ ley de Kepler). 37. sie¡do A : (2y 'f 3) | * xz ! -l (yz - x)k, halh

. I A dr a lo largo dc las siguientos t¡ayoctorias t'

(a ) x :2 t' ,y :t,z :tt desde,:O n r:t, (ó) La quebradaque une los puntos (0,0,0), (0,0, l), (0, l, l) y (2, I, l), (c) La rccta que une los püntos (0,0,0) y (2, l, l). .so/. (a) 288/35 (ó) l0 (c) 8 /t l. - - - ¿

r 1..

',

3,6. SiendoF:(5¡l-

6x,)l|(2y-4x)!, taftar I F,d¡ a lo largode la curvaC del glao xy, y rC desde€l pu¡to (1, l) al (2,S). Sol. 35

.39r Siendo F = (2¡ + f) i * (3y - ¡) J, hallar I

f . dr a Io largo de la quebrada C del plano ¡/ qr¡c

Jf

lospuntos(0,0),(2,0) y (3,2). I ---

'

So/. 1l

¿fO,Haflar el trabajo roalizadoal desplazaruna particula en el campo de fuerz¿sF : 3x'i + (2xz - y)t a lo largo de, (é la roctaque une los puntos(0,0,0) y (2, l, 3). (ó) la curva x : 2t2, y : t, z : 4t, - t desde r : 0 hasta ¡ : l. (c) la curva definidapor x, :4y, 3x.: 8z dosdex :0 a x =,2. ,!oL (a) 16 (b) 14,2 (c) 16

INTEGRACION VPCTONTET

¡.n¡r

.t

F.dr sicndoE:e-3/)¡

I

JA

y C la curva cc¡radadel plano ¡/,¡:2cosf,

+('-2¡)l

Sot. 6n, si C se recor¡ecn el sentidopositivo (contrario al d€

dcsdc ,: O hasta ,:2r. ¡:3se¡i¡ b egujas del reloj).

lhodo T un v€ctor tangcot€ unitado a la curva C de ecuación r : r(¿), demostrar que cl trabajo rcalizado t¡

J Gplazar una partfculacn un catnpode fuorzasF a lo largode C vienedado por I F.Tds siendos ' Jc b longitud de arco. bdo -o

+(3/-4x)J, -. halhr f^ F'dr a lo largo dcl triánguloCde Ia Fig. l, (a) en cl JC (b) l4!3 Sol. (aJ -laf i¡dicado, (ó) cn scntido contrario al anterior.

F:(2¡

+/')l

l¿ -l-

-ro

l-,,'. lt" 9t.

, 213

quetr:(¡-¡)l A . dr a lo largo de la curva cerr¿da C detla FiE. 2, sabiondo

+(¡ +.r)t.

fudo A:(y-2x)t + (3.r + 2/) j, hallar ta circulaciónde A al¡ededorde la circunfercnciaCdel plano.ry So/. E¡ o oentro en el origsn y radio 2, sahiendo quc C s€ recorre en s€ntido positivo. f |nd"p"nOiente ac Ia trayectoria C d e nostrarque I A .' ar JC ", lE pasa por dos puntos rtados. (ó) DcmosÍar que existeuna función derivable C de forn,r que A : V{ sol. (b) ó ¿ 2"zy - xt z2 + constante i t¿itar sú expresión.

{ d S i A : ( 4¡ r - 3x ' z ' )i + 2 x ' t-z x tz k ,

un campo 'l€. fuer¿ascon*2)kes f.) DemostrarqueF:(/tcost*zr)lt(2lsen¡-4)t+(3x2r serva¡rvo. e) Hallar cl poencial esc¿lardc F. lc) Hallar €l.lrabajo r€alizadoat desplaza¡un cuerpo en €ste cempo desdc(0, l, -l) hast¿ (z/2, -1,2). + 2? + constant€ (c) 15 +4fl f,,l- (b) ó:r,¡s€n¡ +xzt-4y ./ DlDostrar qu€ F : /tr es conservativoy hallar €l potencialescalar. I)cdcrminarsi el campo de fuerzasF:2xzl

I +(22-x¡)k

*(x'-ñ

sot. 4: f, + "onu*ru es conseryativ(.

So/. No

Ittmostrar quc el trab4jo realizadosobreuna particulapara desplazarladesde,,{hasta-Besigual a la variaciólt la enerbfacinética€n dichos puntos, lanto si el campo de fuerzases conservativocor,o s, no lo es. E ¡ Ur i¡ do

I

, l . d ¡ a l o l a rg o d e l a c u rv a x ' * y ' :1,

A:(./z

* 2 x )l

€) Dado E:rr, f

* x z i * Qy

!2 2 )k ,

z:

I,en el senti doposi ti vo,d€sde(C ,l ' l ) a (1,0, 1)

S o/. I

¿existouna función d deformaqueE:

-VC?

En casoafirmativohallar dicha función

O) Cslcular Q E'dr siendo C una curva simple cerrada cualquiera. "C a (q) ó : - -¡- + constante (ó) 0 U.

TNTEGRACIONVECTORIAT

104

I

yldy + x*nydz es una diferencialexac 53, Demostrarque (2xcos/ l zseny\dx +(xzcosr-x'sen : ' resolverla ecuación(2¡cos/ + z*I.y)dx +(xzcos/-¡ts€tr !\ dy I x*¡y,'t Como consccuencia, : ¡z sen constante ,to/. ¡' cos / + / l. /

/? Resolver(a') (e-v -l 3x'y') dx + (zt'y - xe-t) dy : O, (b \ (z -e -' * n y )dx + (l + ¿-' cos/)d/ I(x-B z)dz:0(a) xe-v ! xry': constante (b) xz + e-'str,ny + y-42': Sol.

.? SJ. si O : 2.ty'z + x'y, halhr

I

sonstante

d </r siendo C :

(¿) Laiurva¡ : t, y : l', z : r! desdo, : 0 hasta, : l. (ó) La quebradaque une los puntos(0,0,0), (1,0,0), (1, 1,0), y(1, l, l). tq

tl

75

I

sot. (a) asi+ 15¡+7 ; k (ó ) ; i

¡k, hal l a¡ f

5 6 . S i e ¡rd oB :2 y i -z i *

t : nl 2.

d e s d er:o h a s ta

i 2k ,,

Ora l o l a¡go de l a curva ¡:cost'

v:sar r t ,

z: 2

S ot. (2-;)i + (z-l )i

f

(A x B) x dr alrededorde la 57. SiendoA : (3x + /) i - t , + (-/- 2) k y B : 2i - 3j + k, hallar I Jc Sol. 4tr(7i+ del plano¡/, dec€ntroel o¡igeny radio2, recorridaen el sentidopositivo. cunferencia fr lr

Hallar I I 58. / .,rJ 'J'l

t/

I 'n ¿S

"n

cada uno de los casossiguientee.

(a) A: yi * 2xizky S la superficiedel plano 2¡ * I : 6 situadaen el primer octante y limitadl e l p l a n o z :4 . (ó) A :(¡ + y")l-2rcj +2yzk y S la sup€rficic del plano 2x * y + 2r:6 situadacn el prime¡ (¿) (ó) 8l .to¡. 108 59, SiendoF :2y i-

zi + ¡tk y Sla superñci€/':8¡

situadaen el primer oct¿ntey limiiadapor los

ff

y : 4 y z -- 6, hallar f l

F'tr ds.

sol. 132

JJ

?¡

II 6(). Hallar JJ ,f :0 ,

z :0

S del volumenlimitadopor el cilindrox' I z" :9, x A'ndS extendidaa la superfrcie e y:

g , s i endoA :

rr

61. Hallar JJ

6zi t(2x

+ .y) j -¡k.

,5o/. l 8z

exiendídaa: (a) la superficieS del cubo unidad limitado por los planos (

t'¡dS

J

ylosplanosx:

t, y:

l, z:1;

(ó) la superñcic de una esferade radio 4 con c€ntroen (0, 0,0)'

sot. (o) 3 (D 4't' 62. Hallar

ff tl J J

lt' n aS oxtendida a la superñcie del voluñeo situado por encinra del plano .ry y

s

p o r € l c o n o z ' :x 2

Iy '

y el pl a¡o z :4,

si endoA :4xzi * xyzri * 32k.

Sol. 32O a

63. (a) Sea n la proyección de una supcrñcie S sob¡e el plano ¡/. Demostrar que cl área de la supcrficie S

'!

INTECRACIONVECTORI,-¡-

F(x,/, z) : 0? :-.L esel áreade la sup€rficic S dgecuación

105

t,

fr

Á__ / óF .2 voxóyóz

JJ

1 2 l i m i ta d op o r: (a) x :0,.y : O,r:

.dF.2

drdy

la F l

R

. ar eadc l plano¡ + 2 y + 2 2 : ' - :.' : t6. Sol. (a\ 312 (b) 6n

-<-_-.óF.2

l ,.y' = l ; (ó) ¡:0,r:0,

: á¡ea de la superficielimitada por la hters€cción de los cilindros x" * t' : a. y xz + 22 : a2.

y(á) , . ff rv,.>.nds Ií,

"*

s i e n d oF:(¡

+ ' 2y\i -3zi

l ,¡k,

I

d - 4x ]-31,-22,

.tJ

-i ':;perficie de 2¡ + y + 22 :6limjtada : i ( b) 2i *i *2 k

Po r ¡:0,

y:2.

x:1,Y :0o

: :: el pr oblem aan te ri o r,s i e n d oS l a s u p e rñ c i2ex + y + 2z:6l i mi tada

por ¡:0,

)' :o,

y z:0.

: 92 (b)'12i136i+72k ll

-l JJ

,',2+tz d.xdy extondída ala región.R delplanoxy limitadapo¡¡' * y' : 36.

,urrror,

:2yz:0.

:

siendoI/el volumen limitadopor el cilindroz:4-x'

Sol. l44n

y los planos.r:0,

So/. 30/3

iim it adopor los p l a n o s¡ : 0 , t:O ,

.]J J v z :O

fi

y \ b \ lf f V , rd y . s ie n d o v e l

!x:- 3 2 ) i- 2 xyi-4xk,nuttar <Of f Ii.F d v

JJJ v

y 2x+ 2y* z:4-

S-,..8..8 oL (a) i

(¿);0-k)

2

'

r)l'

-l

1.- --

Ca ítulo Operociones¡ntegroles Teoremode lq divergenciq,leoremo del rolqcionol y olros leoremosinlegroles TEOREMA DE LA DMRGENCIA wERGENCIA DE GAUSS. GAUSS. Sean, Sean,Z el volumen lirnitado por una cerrada3 y A una función vectorialde posicióncon derivadascontinuas;entonces t t t

JJJv.^dv r, s J

=

= ff JJ^.r,ds $)e.as t t

siendon la normal exteriora S (positiva).

TEOREMA DEL ROTACIONAL DE STOKES. SeanS una superficieabierta de dos caras curva cerradasi:nplesituadasobrela superficieanteriory A una funciónvectorialcon derivadas

f o'o'

-c

ffo,n,.,rs - ffrv"n,.a"

en donde C serecorreen el sentidoDositivo.El sentidode circulaciónde C es ¿osirivocuando vador que recorra la periferiade S en dicho sentidoy con su cabezaapuntandohacia la normal a S, deja la superficieen cuestióna su izquierda.

TEOREMA DE GREEN EN EL PLANO. Sea.Runa regióncerradadel plano x), limitada cuwa simpley cerradaC, y M y N dosfuncionescontinuasde x e y con derivadascontinuasen -R;

' cf

r o, t r n,

fl,* - *,*,

cuando C se recorreen el sentidopositivo (contrario al de las agujasdel reloj). Mi€ntras no se lo contrario, supondremosque yl' significaque la integral se efectúaen una trayectoria recorreen sentidooositivo.

t' f

El teo¡emade Green en el olano es un caso Darticulardel teoremadel rotacional de blerna4). Tambiénesinteresanteobservarque el teoremade la divergenciade Gaussesuna del teoremade Green en el plano, sustituyendola región pla¡a R y la curva cerradaC que la lir la región tz del espacioy la superficiecerradaque la limita Sirespectivarnente.. Por estarazón,el de la divergencia de Gauss seconoce también con el nombre de teorema de Greenen el espacio

El teore¡nade Greenen el plano sewiifica asimismo,en el casode regioneslirnitadaspor ñnito de curvassimplescerradasque no secortan (problemasl0 y I l). 106

TEOREMA DE LA DIVERCENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL

107

INTEGRALES.

té.f, * (vó\.Nq,\)dv = ff ,rrrr.o" Ert

J es ef tcorcma o pr¡mer.i ident¡lfqd de Greer.

@V',!-,t,V'6dI'

=

at I lttVp

- ú,Vo).ds

5 cs cl teolcnu

s¡núlrico

o saguulu idutt idul lc, G rt'rn (probleura 2l ).

ixrdv = ffo*otas = lfo"-o 3S Obeérveseque cl producto cscalar dcl teorc¡na de la divergencia dé Gauss se ha sustituido

r| productovectolial(problcnra 23).

rLI

=

rf | llnxY E ¡dS

JJ

=

rf lldsxYa

JJ

por el símboloo un producto escalar,un g una función vectorialo escalary representando vectorialo un oroducto ordinario. se verifica:

III,"r,, =il""r" =ll,"",t v

{*. "c

* = ff ,,,v," +os= ff ,0",r', "q

ma de la divergenéiade Gauss,el teoremadel rotacionalde Stokesy los números3 y 4 anson c¿sosparticularesde esteúltimo (problemas22,23 y 34).

tlA INTEGRAL DEL OPERADOR'V, De acuerdocon la terrninologlaempleadaen el Procs interesanterepresentaral operador V en la forma

vo ribolo

t\ ,h # n ' AJ

o rep¡esenta un producto escalar, un producto vectoríal o un producto ordinario

I-a utilidad de esta forma de proceder la vcremos muy claramenteal generalizarlos conrats, divergenciay rotacionala otros sistemasde coordenadas(problemas19,24 y Ca.-

TEOREMA DE LA DTVERGENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL

Problemae reeueltoe TEONEMA DE GNEEN EN EL PI./WO l. Itcnogtr¡r cl tcor€Nns dc G¡con€n ol plano, ¡icodo C um cr¡rva cc¡rad¡ quo tieno la propicded dc que toda r€ct¡ p€¡¡bla a uno dc loc eis coordaoadosla corta a lo ¡u¡¡o m doEptmtor, Scan,y y'1¡¡ 3 : rl¡) l¡s cr¡acioncsdo las cr¡r- rcrfr¡c'üva,mento, quoapa¡cconen la figura vasAEB y AFB, " adjunt¡. Si ¡ c. l¡ t!8ión limitada por C,

ffav . . = JJ t"',"v

= l"'roat;wl,', * =['"'o"'*"],' .[.'1,={^:' -l'ro.ru* - foro,r,rr'= -frr*

(r)frrr". -$Vr,r,

For lo taúto,

Análogat .nto, tú x : X{ll

y x : X.(1t) son las cq¡acionc¡ do l¡s c1¡rvasE¿F y EAF,

n*,, I!*,.,,=J:1,"{: *'1"'- ['P,,'',= Porrot¡nto, /.\

, nu.,na,= frnr, n<*''rto, !r" fl (2,

r*"i-

f!*r';,

.

- {ta'+.

I

sr¡n¡¡do(¡)y(2), {ro,no,

C@probas cl borm! dr Grür cn cl pl¡no f. een ta intant f l{ry +y2l !* + 12 dy úñ ? \_. C la curva ccrradaquo¡iüit¡ l¡ rtgióü dcGnld¡ POrt:¡et:t'.

ií ñilf*Iffi"'T o"""?,tilTü;ri sonridopoeitivo cn qr¡c ao ¡scon¡ l¡ úca C.

$:*

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL *

n' ¡ g?: a lo lar g o -d ey :

¡, e s ,tr¡,.fr { C ,r i .. { r.r-l

a t.? l

.l ¿o

Gla\ + za)dx + (x2\(2')d,

=

J¿o

o'" * ó a" .=

f;

* c:cr--al a lo largo de .r : x desde(1, l) a (0, 0) os lo | (f"lr'l

I P) dx

Jl

-

= -*

p€didavale = curvilinaa .,JrrE¿ integral i3-t rr f f .¿ ¡t ¿M.. =

JJ,;;: - fitaxar RR

=

ft

| I o-ztt¿,¿,

=

-

'{+

i,/

f'

?'

|

| e-zttdvdz

J

J

t= O f=t2

P

=

['tf'(,-2 vrd r)d , Jr2

uO

=

'

-1

^ JJ rf;e't -fit,v'v'¡)a,av

JJ

=

fo 3x2¿1. = | .tl

=

+ 12dx

[' pv- vo¡ l't' ^*

uo

-ñ

@ 4 - x3 \¿ x ¿

tJÉ cl tcorema s€ cumDle.

: la demostración del t€or€ma de Green en el ¿:¿ en el probleria l, a las curvas C quc sean corlc aás de dos puntos por re,ctasparalelas ¿ los ejes

-"n.de¡emos una curva cerrada C como la inücada T::-a y que puede ser cortada €n más de dos puntos ras paralelas a los ejes. T¡azando la recta 57, la leda dividida en dos, Rr y ¡Rr, que son del tipo en el problema I y a las cuales se puede aplicar de Green, es decir, t¡

t¡ t¡

^

I tr a t+ Nay= J,r(+-!)¿'¿y J'¿x J ¿"

sfu

P1

f ,,, *r, = II ,* -{ta,ar Jrft R2 SEando los primeros miembros de (J) y (2), sin escribir el it¡t€grando M dx ! N dy, se obtione,

T- T = T -T -T,T= T-f = T

ff¿J

,'?

JM,'

TIJS

SVT

fJ

TIIS

SVT

TOSVT

encuentaquc I. f ,tf

fs

iünando los segundos mi€mbros de (l) y (2), omiti€ndo asimismo el integrando,

109

TEoiEMA

ll0

DE LA DIVERGENCIA. TEoREMA DEL RoTAcIoNAL

II

il- [ I RTRZR

Siendo R la ¡eunión de las regionesXr y R¡, l'

Porlo tanto, I Mdt+N¿y = J IUSV!

¡. n

llt!

JJ R

^-.

d¡

- lya,ay óv'

, comosequeriademostrar.

Una región R, como la consideradaen el problema l, en la cual toda curva cerrada cualquiera cn ella se puede reducir continuamente de dimensiones alrededor de un punto sin dejar de so llamz simplemenle corexa. Una región que no es simplemgnto conexa es múltiplemente conex¿aplicado el Teorema de Green en el plano a regiones simplemente conexas limitadas por curvas plan problema l0 se gpneraliz¡ el teorema a regiones múltiplemente conexas. En el c¿so de regiones simplemente conexas más complicadas, puede ser nec€sario tr¡r¿¿r como la Sl, paxa aplicar el teorema.

4. Expresar el teor€¡na de Gr€en en fonta v€ctorial. S e t¡e n e , ¡t¿ r+,rydt, = (Mi+ N j ). (dxl + dyl \ = A .dr, cual lr = dxl+dyt.

si endo A = Mt+ dJy

r =r l+yt

También, si A = Mt +NJ resulta

rjk Vx A

dedonde, 1V*e¡.r ; $

9¡ . ,P-*, *

aaa 7z ¿y MNO _1.

Zz

Az

Ot

Oy

¿M oy

El tsorema de Gr€€n en el plano se puede escribh en la forma

I e A.dr = uc

n" | | 1 V xe l. h a , i

si¿nd6 d¡R= dz dy . La generalización do este resultado a superficics S del espacio limitadas por una curva C teorenu dcl rotqcional de Stoker que s€ demuestra on el problema 31. Otrc m¿todo.

Comoante,Md¡+ N dy : ¡ ' ¿, : e,' fi * : l'ras . dt

: T : r¡ector utritario tangentea C (ñ8ura adsiendo fi junta). Si n esel vectorunitario normal exteriora C, entoncrs T:kxn,y M dx * N dy : A.T dr : A'(t x¡) dr :fAxk).n

dr

comoA : Mt+Nl ,B: Axk: (Mt+tvj)xk: Nt-Ml, AN AM resula -- ---: v.B. E¡ tcor"made Greoncn ol ox ot plano sr expresapor f {n.na. J. '¿ slndo dR : dr dy.

=

f f llV.BdR JJ

TEOREMA DE LA DryERGENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL zación de este c¿so, sustituyendo el elemento de lín€a, o diferencial do Ia longitud de arco cerrada-C por la difc¡enciál de área dS de una superñciecerrada S y la región plána R corr€spofC por el volumen Z encerrado por S conduce al teorema'dc Ia -üverienc¡a de Griin L G¡een en el esoacio. -rada

v",, [[f v

6¡r¿¡üquien pcn€Dar ú4ex4 ls DlaDt

firi;amente el primer resultadodel pro6lema4. r campóde fuerz¿sen el quo seencuentrauna partfcula;entonces,f n . ar eset trabajo real! JN

d¡splazar dicha partícula a lo largo de una trayectoria cerrada C y su valor €s V x A. De aqui sc ¡¡i V x A:0, ó bien, si A: Vd, la integral a lo largo de una trayectoriacerradaes cero..E¡to que el trabajo realizado para desplazar una partfcula desde un punto a otro es indcpcndiente de l plana que se siga para ir del uno al otro, o bien, que el campo de fuerzas es conservativo. E demoskado ya en el caso de campos d9 fucrzas y curvas alabeadasen €l espacio(Capltulo 5). Ernente, si la integral anterior os ind€pendionte de la trayectoria qu€ une dos puntos de una ücü, si la int€gral ¿ lo largo do una línea cer¡ada es cero, rsulta V x I : ó. En el plano. la

tF x A : 0equival"t

:$,

#

siendo e : Mi + Ni.

i2,r) (lox' - 2tyt) dx - lx'yt dy a lo largo de la curva¡r - 6xlr : 4Jli. c¡q¡lo directo de la integral es diffcil. Sin emba¡go, teniendo en cuenta que M:

,

#

::r,

:

y,ox

#,

l0xt -2xy.,

* de.duceque la int€gJql es independicntede.la Lra¡4:!!gria.En

podemoselegir una línea cualquieracomo, por ejemplo,la quebradaque une los puntos 0) y (2, l), en este orden.

queunelospuntos (0,o) v Q,o),y : n b larsodersosmento tl,":*l -* , o. , :"" t- t il'i = 6{ . t ( ' á) ; ,J" ro radr :2, : que puntos (2, y (2,1\, y fargo del segnento un€ los 0) x dx - O la integral vale pc dida: 6 4 -4

AM A"

(

:

AN E,

(Ox.

(10la -?tcys) ¿, -

¡^I 12r'¿!= -a. J -

:6 0 .

-

y=0

2xy.) dx -

3xj2 dy

=

3x'y, dy 6 una diferencial

['"'"

"(0,0)

dQts -*t\

exacta (de 2x6 -

ri¡),

,t2.n = 2tó - x2y3'(o,ol = OO

que el área limit¿da por una cuwa simple ccrrada C viene dada por $ i| r dy - y dx . JC €n €l teorema dc Green, M : -y,

f,

xdy - y dx

N : .r, s€ tiene

il,$<o - f,<t>)a"a, = z[[P f

I el área pedida. Por lo tanto. ,{e = i f , a r -r a ,.

o'a,

=

2A

podremos

7+ f

,t" .y'/

./

r-TEOREMA DE LA DIVERCENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL

II2

t. Hallar el ár€a de la elips€ ¡ : o cos 0, y : ó s€n 0.

= +$zd y -y d x = , I ' "

**

rc o s a \ f t ' c o s l)d 0- g *

= ¿f'" ou1.o',0 + xnz\¡a0 = t

9. Hallar

r Q rc

O )e a * \0 ) d e

* d0 = nob

f'"

0 - *n x) dx + cos x d/, siendo C el trián-

gulo de la ñgura: (a) Dir€ctan¡€nte. (ó) Aplicando el te,oremade Green €n el plano. (a) A lo largo de OA' y : O, dy : O' y la int€gral val€

r"h rh (0-s€n')dr + (cos¡)(o)= J" J I

-s€nrd¡

= cosr 'tt/2 lo A lo largo de AB, x :

*

i,

¡L

J" A lo largodc8o, y :|,

f

'r!-*ou*

$ "'

= cos',

_l

: O, y la integral vale

(Y -t )o * o d Y = 6

o, : I a*,v t^integralvalc

,2"o',d, = (+ *.o",,?nn'¡ll*

La intelal a lo largode C = -r (b) M = r -*i,,,v

:

$

= -r.n,,

+ o + 1 #

2

T -

7r 4Tr

TT

' 4 'r l

T2

2.

= , tO" OonO"

* r, = II ,* -{to"o, = - '\dvdr [['n*"' R

=rulr x =o

(-s€n¡

=,

- 1)

I

Ly= o

= .[" " n + n n ,- ]> a "

=

2, -ñ\-

¡ ¡/z

Px/" (-y s€nr - 7) lo

,co s¡ + se -n*l,)!

= -+

que coincidecon el rosultadode (a). que aunqueexista una rgcta paralelaa un eje coordenado (el propio eje r €n este Observese corte a C en un núme¡o infinito de puntos, se siguoveri6candoel teorsmade Greenen el plano. En teorena es válido aún en el caso de que C ostéconstituida por un número finito de,/segmentos

10, Demostra¡quo el teoremade G¡een en el plano tambiéo se verifica en el caso de una región R conexa,como la representadaen la figura.

t

l,a región sombreadaR de la figura es múltiplementeconexa)ya que no se cumple que toda so pueds ir roduciendo hasta un punto sin dejar de

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL ¡. ¡ como se pueds observa¡considerando ri

:...ada cualquie¡a que rodee a, DEFGD.

d€ R, que exteriorme¡te 6 AHJKLA e DEFC, se rocorre en s€ntido positivo, G :orma que un obscrvadotque se desplacc 'ñ'ips de la región en dicho sentido deja a esta ¡ = üquierda. !b

lÉdrostrar el tgo¡oma, tracomos la reata AD, rr'aro. oue una los contomos exterior e intelaain limitada por I DEFGDALKIHA es sim=cra y, en ella, se puedeaplicar el teorgna E¡ cstascondicion€s,

I

= Md,+Ndy II ,*_{,,"0,

f

ADEÍCDALIJIIA

ü

R

= T-I DE1CD

f

AL.IJfll

¡¡

^ !, u o,,u ay = II ,* - !o-' t o, o,-'- ') \

'

i i,

; l. ¡1 )#

c1

que el teoromade Creen en el plano se verifica en la región,R de la ñgura, Iimitada por las cuwas :trradas C' (ABDEFGA'),C, (HKLPH), Ca (QSTUQ) y C, (vtrXYV).

i

l:¡.'emos las barrcras lF1, LQ y 'l:V. La región limitada por AHKLQSTVWXYVTUQLPHABDEFGA conexay en ella sepuedeaplicar el teoremade Gre.en.t¿ integrala lo largo de estecontomo es

l* ti

f* nt{L

J-

LQ

iffff

f 'l r JJJJJ QSr

Iy

I

r l-

VyXyV vr

, r1Q

[, T-T- T

A

LP]I

IIA

ABDXNCA

fas integrafesa lo largo de AH y HA, LO v QL, Ty y VT 9e anulan, resulta

I i, .l

;

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL

I l4

I - T- T " T I

11KL

=

ÍlQ

VvXfV

83r

.

({,'

i)

(¡,.

,{,)

= I. ítrLPIl

LPE

IAQ'

+ [ 8STA8

I T-T

ABDEFGA

+

YYXYY

IBDSÍGA

ABDENGA

IIIXYT ff

fff

= f + l+ l

* l= l tl v1

v3

siendo c el llnite formado por C', c", C' y C.. Por lo tánto, t ua,,nay = $ Jc

'¡ '!t¿'¿t ll, + dr - ! !Ót

trt

como se quería demostta¡.

r

Demostrargue $ u dx + N dy :0 a Io largode una curvacerradaC en una regiónsimplemente Jr .A M si, y solo si, u,

AN en todos los puntos de la región. ¿x

Supongamosque M y N son continuasy con derivadasparcialesasimismocontinuasen todos lc: de la región lR limitada por C, de forma que se pueda aplicar el teoremade Green. En estas

f si = =* ay

u o ,,,o ,= II,* -{ ta ,a ,

* . R,e n t o n c e s , o ' * Nd y = ¡. f aN

aM

)l --Reciprocamente,supongamosque Q M dx -t N dy : ¡ puru toda curva C. ^. ^ Jc AM AN punto P. de la continuidadde las derivadassededucela desigualdad > 0 en alguna aV a que rodea a P. Si f es el contomo de ..1,s9 tiene

$ uo,. , a,

Jr

f f , d'' . 1- ! , , 0, 0,' o

to"

que secontradic€con la hipótesisde que la integralcurvilíneaescero a lo la¡go de toda curva cerrac.

gamente, enel casode

-#

tu"zoff-< 0 sellegatambiéna unacontradicción.

cn todos ios puntos. "*# ¿V oM eouivalea v ' A :0, siendoA ' Mi 'r Ni Obséne.eQuela condición ,y ll, Cap. 5). En el probl€ma 3l"* veremosuna generalizacióna curvas en el espacio.

TEOREMA DE LA DÍVERCENCIA, TEOREMA DEL ROTACIONAL

:

-

'

'J,

_r

(ó.J ) H al l ar

(a ) C a l c u l a r Vx F .

II'

Q r' dr a Io l argode una curvacerrada

:: -!:-_ :: aesultados.

,71 f.ir

=

J

k

¿ dy

?"

;¡-7

f -t d t + x dt 9-.

,J

a

= 0

€n toda región,excluyendoel punto (0,0).

0

pseny' , si endo

pcosÉ y:

Hasamos€l cambio de va¡iabl€s x:

,- + f'

: -35 coordenadaspola¡es. Entonces pser,l. dó + d p c o s q ,

dy =

p cos ó dÉ + dp s.rre

::-_ ..r que

:--. :ra curva cerradaABCDA, Fig. (a), que rode€ al origen,ó:Oan ::

Ay?4 - 2z despuésde O, = ,,.

:.:1¡leta y llegarde nuevoa ,4. Eo estecaso,la integralcurvilineavalL' I .ó

Fic. (ó)

Ft s . ( a)

?¿ra una curva cernda PQRSP,Fig. (ó), que no iode€ al origen, ó :

óo en P y d :

,: --: ;ompleta y volver de nuevo a P. En cstg caso, la integral curvilíneavale C o moF :

M i+

N i ,l a c o n d i c i ó nV " F :$ e q u i v a l e

" U {:

I

do despuésde una ¿@ = o.

ryr; y pa¡ececomo si exi sti erauna

-:::dicciónen lo dichoen el problema12.Sin embargo,no €s asi pucstoque 11 :

Yt :

;, i¡ -{.; :renederivadascontinuasen una regiónque rodee al punto (0.0), que es Ia hipótcsisdel problema12.

.\IA DE LA DIVERGENCIA DE GAUSS. en cootdenadasrecEnunciar el tooremade la divergenciade C;aus!y (r) expresarlomatemátic¿tnente üngula¡es. La integral de superliciede la componentenorm¿l de un vecto¡ A a t¡avés de una superficiecerradaes igual a la integral de la divergenciarle A en todo el volumen €nccr¡¿dopor dicha superficie.

IIó

TEOREMADE LA DIVERGENCIA, TEOREMADEL ROTACIONAL ¿A" (ó) sea A = Ati+Az!+,431.LuesodivA = V.A = + {f' o, - +o1 El vccto¡ unitario normal exterior a S es n : ¿, i + ¿r i + ¡r, k. Por lo tanto, ,r : r . i : cos n : n ' ¡ : cos É y rrr : n ' k : cos /, siendor'¡,¡'ly T los ángulosque forma la normal n con los positivos .r, /, z, o lo qu€ es igual, con los vectores¡, i, k. Las magnitudescos a, cos f y cos ? son cosenos directores de la normal n. En estas condiciones, A. n

=

( A l - i + A 2 ! +. {s k ) . ( c o s f l i +c o s É j +c o s 7 k )

=

lr cos d + Az cos !-1 + .43cosy

con lo cual, el teorema de la divergencia se pusde expresa¡ en la forma

JJ ér"oto

+ Azcosg+ ,{"cos7)ds

J

15. Demostrar, físicamente,el teorema de la divergenciade Gauss. SeaA : velocidadv en un punto cualquierade un fluido en movimiento. De la figura (a) se deduce: Volumen de fluido quc atraviesa¿/Sen Jf segundos : volumen contenidoen un cilindro de basedS y altura v/¡ :1 vl rl ' ndS :t' ¡dS ¿t Entonces,volumende fluido por segundoque atraviesa¿1,S--v . n dS

Fis. (o)

Ft3. (ó)

De la Fig. (ó) se deduce:

Volumen total de fluido po¡ segundo que emerge de la superñcie carrada S

II "'"0' t

j . r.lV es el volumen de fluido por segundoque emergede un elemento . Del problema 21, Cap, 4, volumeny'/. Luego Volumen total de fluido que cmergepor segundode todos los elomontosde volumen de S

=III , ",, v

Por lo tanto,

II "',0'= Iil Sy

Y.v dV

ti

TEOREMA DE LA DIVERCENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL :host.ar

1t7

el teo¡emade la dive¡genciade Gauss.

{ SeaS una superficiecer¡adaen la que toda recta paralelaa los ejescoordenadosla co¡ta a lo sumo en dos ¡,Étos. Suponiendoque las ecuacionesde las supgrficieslímites inferior ü y suDerior,S"son ? : ,l(-r. y) v :: f"(x, z), respectivamentc, y llam¿ndo n a la proy€cciónde la superficiesoQri el plano *¡, se iiené" -

= ill{o"o,o.= uru o,a. lfiY;,, ill .f'""'+ oz a,f '" v v l,=í,u,, J

-

ff

.f-

rr

= _ A"{x.r.f,\) dydx JJ e4,.",,t1'l_,,ara, JJ to.o.r,,,\

¡

PP

I

il

En la cara superior Sr, dy dx : cos y, dS2: k . n¡ d,Sr,ya que la normal nr a S¿forma un ángulo agudo -¡ con k. En la cara inferior S,, dy d.x - ¡btuso /1 con k.

Porloranto.

cos yr dS\:

- k . nr /^Sr, ya que Ia normal n. a .!r forma un ángulo

e"p,1,¡,¡aya,

.P

o'o' i f o"<''''t't R

1

rf rf .t"t,,1,rr1 aya, -. e"r<.o, as" JJ JJ pS2 ff ll JJ

-

I

¡

rr ll.{st.n1ds1 ' JJ

s.

[[ ,?

o"o'''¡'to'o'

[[

o " u . n " o r" *

,t2

ff e.x.n,as, 31

ff,' o"*.,0, [[ o.*.. o, s Análogamente,proyectandoS sobre los otros planoscoordenados,

I

l-116

TEOREMA DE LA DIVERGENCÍA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

(á)sea

^

= A ti+Ac j+ . 4 3 kL. u e s o d iv A= v . A- d r ¿ )P¿ z+ -+ -+ . -

El v e c to . u n i tari onormal exte¡i ora.t es n: n,i + n" i + ¡,k. P or l o tant o, ¿r : : t . i: ¡¡¡ -= n ' j : cos/r y /¡r : n k : cos y, siendoc, l/y), los ángulosque forma la normalnconlos positivos¡, /, z, o lo que es igual,con los vectoÍesi, j, k. Las magnitudescosa, cos i9 y cos ), cosenos d¡rectores dc l¿rnormaln. En estascondic¡ones, A.n

=

(A \i + ,42! + ,43k)' (cosat i + cosÉ j + cos7 k)

=

.4r C oS ' Y+ /z C os.i | 4" C OS )

con lo cual, el teoremade la divergenciase puedeexpresaren la forma ttl ttt " í"

¿4, dA " ¿A (= - * - o: * o, d7 d¿ -b¡a.a7a,

f f r¡r" o.n, urt

-

ttrcosfS - { 3co s}) ds

15. Demostrar, físicamente,el teorema de Ia divergenciade Gauss. SeaA : velocidadv en un punto cualquie¡ade un ffuido en movimiento. De la figura (a) se Volumen de fluido que atraviesar/S en .11segundos : volumencontenidoen un cilindro de basedS y altu¡a v,rf : (r¿r) . .t dS : t .n dS lt Entonc€s,volumon de fluido por segundoque atraviesar/S : v .n dS

Fis. (o)

Fl 3. (ó)

lre la Fig. (ó) se deduce:

Volumen total de fluido por segundoque emergede la superñciecerrada S

= II "'"0' .s Del problema21, Cap. 4, j .r.lV cs el volumende fluido por segundoque emergede un volumeny'/. Lueeo Volumen total de fluido que emergepor segundode todos los elomentosde volumen de S

=III , ,,, v

Por lo tanto,

TT"."O'= TTT s¡ ¿

Y .u dV

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA, TEOREMA DEL ROTAC¡ONAL d teorema de la divergpncia de Gauss.

superñciecerrada en la que toda recta paralela a los ejes coordenados la,corta a lo sumo gn dos L,suna E $poniendo que las ecuaciones de las superficies llmitcs inferior S. y supcrior S¡ son z : r(r, /) y z), resp€ctivamente,y llamando X a la proyección de la superficie sob¡G cl plano .xy, sc ücnc

III** ú

= III.4'n"n,o" = ul ill v

oza")a,a, ¡r'attae L"=|,o,, J

= JI n",,,,,u1!=,.+r, = dy¡', u"a,,,r;- a.e.y.rLtf [! P -R h

la cara superior &, dy dx : cos y,dS,:

t.

k . q d$, ya quc la normal nt a Sr forÍra utr ángulo sgudo ya que la normal nra,S, forma rm ángulo

E la c¿rainferiorS,, dydx:-c$yLdg:-k.n¡d5,,

rorfotanto,

[f fJz

= ^o,r.ornro,

f f n"r.,,or,

f/.

flxJr n""'''"'0"

ff n"r'"'n"

e"a,y,¡;aya" - JJ he,t.tL\drdx= JJ ff

f

f

RP

=

f f f

, ff 4t.o,as, jf n"*.,,ts, | | ¡"tr'n ¿s 3

ta l = ¿7* = JJ t"voas (¡) JJJ :\t

f f

rJ

proyectando Análogamente, S sobrelos otrosplanoscoord€nados,

TEoREMA oE r-e ow¡RcÉNcIA, TEoREMA DEL RoTAcIoNAL

= JJff 0.,.,0,

e\ JJJ fff4*¿x v3

( 3)

f f f ¿a-

f f

=

tll+2dv AY

.t t A,i' t' ds

JJJ

JJ

YJ Sumando(1), (2) y (3),

=

fff , +ó,, ¿ p ,óy ( ¡ o n óz

JJJ rJ

f f , o u + A 2 i+ A B k ) .¡ d s

JJ

IIIr'^',= [[ n'""

o bien,

I¡

.'

El teorema se puede generalizara superficiesque ssan cortadas por rectas paralelasa los ejes coor nadosen más de dos puntos; pa¡a 9llo, sesubdividela región encerradapor S en subregionescuyas línrites satisiaganla condición anterio¡. El procedimientoes análogo al utilizado para el teorema de C en el plano ! rf 1 7 . H a tl a ¡ | | f.n a S, si endoF - 4xzi JJ 3 y :o , y :1 ,2 :o , z: l .

y' i + /?k

y.S Ia superfi ci del e cubo l i mit adopor x:

O,¡

Segúnel teoremade la divergencia,Ia integ¡al pedida vale

frf_

= JJJ v.Fdv vv

=

¡ I +f)it - f ) - &t r "t lav J J J lüt * , ' rrrf

¿

rff

JJJGz- y\d v

=

Y ft

=

rt

J Y =o

fl

J,n " - ,,0 ,0 ,0, z=o

I

ft

| | JJJJ

lt

J t=o

222-yz

=

,_^d1 dx

ft

fl

|

|

tz-ytdy ¿,

=

*

La integral de superficiese puede hallar también di¡ectamentecomo en,el problema 23, Capitulo i

18. Comproba¡el teoremade la divergencia de Gausspara¡:4xi-2yzi p o rx ' * t' :4 ,2 :Oy z :3 .

+ z'kextendida a la región

rrr'-; f'r = Inregrardev o = rumen J J J lf , t t , t JJJo.^av

*P q ., - r " , , * P,"l oz l J ¿ z

VV

=

t f f

J J J G - 4 y - 2 2 ) d v't

f2

J

ftE=?

J

t=-z y=-,fi-P

fa

J

G - av- 2 2 \d ¿ d yd ,

¿=s

La supe¡ficie.9 del cilindro está formada por unas bases^5'(z : 0) y & (z : 3), y la porción S. (¡' t /' : 4). Por lo taoto,

TEOREMA-$E-LA

DIVERGENCIA, TEOREMA DEL ROTACTONAL

hregrardesriperñcie= II^ñt

=

-,,, =-.--t-

fi^.,nr,t ü

,-

IIn."or,* ¿

nnor"

&

n -o,r:r).fiJ:,r:0, derorma que fi

^.,rr,=0.

+ 9k y A 'n lC, a" formaque

A:4xi-2y,! ||.

JJ

ff

lI9

t.n as" = s

3z

JJ

as, = 362,p¡65 6¡¿r"ades": 4n

sz

La perpendicularxs + /¡ : 4 tienc ladir€ccióny sentidodel vector v(¡' * /? :

2ri +

.¡

O MI dV = dr dy dz

l

Do la figurásededuce,¡ :2cos 0, y:2sen0,

dS.:2ñdz,cenlocual,

ff f 2Í ¡ 3. - "1Zsen0'¡?I 2 ¿t ¿6 f f n . n as" = ¡ | [zq zco e0¡ 's"/=ó "!o = .!"" o, e 48*ff q.de = n, cos2 0 da = 4Bn ¡ "o"" I'"

'

e=o

er=o

¡

La integral de superficievalc 0 * 362 * 48¡t : E4n, que 6s igual a la integral de volumen, quedando ¿l teórema de la divergencia. Obsérveseque la integral de sup€rficie sobre S" se podrla haber calculado proyectando ,5" sobre.losplanos xz o yz, div A es la diverg€ncia d€ un campo v€ctorial A en un punto ¿ d€mostrar qu€

div A

=

,r," {of ^' ar-o LV

donde / f€s el volumeo limit¿do por la suporficie /S y el límite se obtiene cu¿ndo / t/ se reduce de dinpnhasta el ¡.

'- -= ; > ' - -

TEOREMA DE LA DIVERCENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

I2O

=

dtv A dv Segúnef leoremade la divergcncia, JJJ AI

[[

AJ

^'"

n'

Segúnal teor€na del valo¡ mcdio de las integrales,el primer miembro es

= ¿r'¡ ¡r'

¿r"r lll¿r t&u

siendo div A un valor compründido cotrr cl máximo y el mfnimo d€ div A cn ¿f. Por lo l^rtlo, ff

=

dtv A

| | A .n ds r=¿-

Lv

Hstlando cl llñitc cuando ¿y + O da forma que P sca sicmpre interiot a /l/, punto .P; h¡cgo

dl vA

=

Il m Af-o

![ S ^'"rs

A ti€nd€ a div A -iv

Lv

Estc rpsultado se pucde tomar como definición de divergcncia de A y, de é1,dcducir todas las incluso la demostración del leorcma de la divergcncia. En el Cap. 7 utilizaremos esta deñnición para duci¡ €l concepto de divergencia de un vector en otros sistcmas de coordonad¿s, Ffsicarn€núc,

Jl *"as Lv rcpEsGnta el flujo del vator A a través de Ia superfrcie /S por unidad de volumen. Si div A es positiva en proxim¡dades dc un punto P signifrca que el flujo que sale de P €s positivo y dicho punto se llama Análog¿Írente, si div A es negativa en las proximidades de P, el ñujo que sale dc P cs negativo (€ntra y €l punto * llarm sumidero, Si una región carcce de fuent€s y de sumideros, div A : 0 y, en eslas cor ncs, A Gsun car¡rpo veto¡ial solenoidol,

m. Hallar

ccÍsda. tt, si€ndo S unasup€rficie

ilr." t

Por cl t€orcm¿d€ la diYerg€ncia,

= ![[ v',', [[,'"n' JT

=III,&', - III,*I *, *, ' , = ' [ f i ,,=', $l ' $tr ,@t+tt+zr t¿v

siendb t/ cl volumen lim¡tado por S.

2r.Dcmostrar lllrrnr r3

Sca A :

= ,/vó).ds. - ,pe'ótav ff tov* -

óV,y' en cl teorema de la divergencia de Gauss.

TEOREMA

DE LA

DIVERGENCIA.

TEOREMA

tzl

DEL ROTACIONAL

fff

ff rt = = v.rov*rn, <ov,tt."as JJJ JJ JJ @v,!t.as rJ,t

V.tóVll'> = @1V.Vry'¡ + rVdl,tVry'l -

óf,l'+ 1V@¡.1V,y'¡

flf

fff = v'tov*tr, av JJJ JJJ tov* + 1jg¡'qee¡l

we* + pg,¡.1it4]av - [! ov*t.as

(r) ![!

rt

lo NinEra ident¡M & G¡ccn. Cztnuzttdo / por 9 cn (I),

(2t

U'r"o + qeg¡.1ee¡]av - ![ rs

[![

oWor.t"

(2) dc (r), sc obticnc

(3) [![ ov"*- 9V6¡av= fi,0r9 - ,y'vó).ds 'J d tcorcms 3ímétrico o teganda idcntifud dc Grecn. F¡ la d€tnGtnción lrcmos supt¡csto ouc d y v son B ccala¡ls dr posición con dcrivada¡ continu¡s hssl¡ las de scgundo o¡dcn poi lo nrcnos. ' - '

III"r,, =ffo"". rt

En cl tcor€ma dc la divcrgencia,

h¿gsmos A :C

C, sÉndo C un voctor con$tanb.

fff

fr

v.toctdv- JJ oc."ts JJJ ft Cono V.@c¡ - 1V{¡.c ' c.Vó

. "

y óc.n = c.(ói),

[[[ ".va,, = [!..<0,t,, f3

.tJJ

SacandoC fuers dc las integralcs, fff Ít c.JJJv+av= c.J)ó,as

rt tcorno C esun rrcctorconstsntearbitrario, '

ff = J7JJ J v o a v JJo"'s fff

o*fffr'"av =ff,,sas. TJ

Entonccs

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA, TEORBMA DEI. I,OT.ACIONAL En €l tcoftma da la dincrgencia, hagaaros A : E x C, sicndo C un vlctor enstant!. f ?1.

lf . J ) J v . p* oav J J r n' o. r as

rt

C o m o V.6xC ¡

y

= C .(V X B )

(B tC ).n = B ' (cxn)

ffr

= (C xn). B = c. ( nxB) ,

ff

| | | c . t V x s l¿ Y = .t ., .,

| | c . (ix B )d s ., .,

f Sacando C fucra dc las integmles, f?-

s. | | | V,a;¡ , .,JJ

c . | | rx ¡¿ s t

y como C es un r¡cctorcomtanlcarbitrrr¡o, ff

JJJv]¡B¿v

ll ¡ x r d s s

a

ta. Dcmosl¡arqu€€n un punto cu¿lquier¿P,

(c) vó =

JIo""

¡lT,

!t

Ar

ff",ta

A-^"-

(á) vxa =

y

^tl,$

túm,doA y d votumcnlirnitado por l¿ suporñcbr'S' hallandocl llmitc cusndo r' I¿sc ttdt¡cc dc alrcdedordel punto P.

(¿) Dcrprouú'22, n, . !! o"rt.r",*' fi[vo,tt, . [[ 0,., IIIrr A.C AT AS AT Aplicandocl mismoprincipio qr¡oc¡r cl probhnra 19,sc obtkirr

fÍó".t¿s

JJ

AS

VÓ.I

sicndo vC . I un valor co¡nprcndidoenü! ol n¿xinl y cl ml¡imd do v{ , I at AY. cuando r' / * 0 dc forma quc P seasicmprcinf,riot z AY,.jl .l ticn& h¡ci¿ el v¡lor

(l )

a

f f ó¡.r¿s

JJ

9ó.t

á

lln Ah

t

---

Lu

Análogamentc so obüoncn,

(2)

(3)

vó ,t '

Vó .r .

JJ o¡'tas llm

AF.o

Lv | | ór'l ds 8:.

Af.o

Lv.

)

..,.:,t2

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA, TEOREMA DEL ROTAC¡ONAL

r2t

(1), (2), (3) por i, ¡, k, res¡rctivamente,sumando,y tcniendoen cuentaque,

9ó = <9ó.t¡t + (Vd.j)j + (Vó.t)¡,

n:

(n.i)l+(n.J)J+(n.k)k

lroblema 20, Capltulo 2) se obtieneel resultadopedido.

probfema 23,sustiruy€ndo B porA,

V,

! [ ! AV

^

= [f ,,^ o'.

r,

AJ

Como en (a), s€ pu€dedemostrarque

sustituyendo ¡ por J y k. Multiplicando por i, jil

y sumando, resutta la demostración p€did¿.

Los rcsultados ¿nteriores se pueden tomar como deñnicio¡res de gradiente y rotacional, Ilaremos uso las al introducir estos conceptos en okos sistemas de coo¡denadi.

la equivalencia d€l opcrador

v' = it3'##'"' ¿s

donde el sfmbolo o ¡cpres€nta un producto escalar, un producto vectorial o un p¡oducto o¡dinario, Pa¡a €stablecer la equivalencia, el resultado de la operación sobre un campo escalar o vectorial d€b,escr istente con los resultados ya cooocidos. Si o indic¿ un producto escalar, par¿ un vector A,

V .¡

=

dfv A

=

ff

t im : L f f ¿ s . r aH LV .t.t

^lig- fi*".^ . f$ ¡t fi^."" A,'

A,

en el probloma 19. si o indica un uoducto \rcctorial,

rotA = v,<¡ = ^yg . 6nido

¡u t[n"'^ A,9

r n J ffn - r ¿ s av k! ^t4

cn el problér¡ 24 (b). Si o indica un p¡oducto ordinario, para un cccalar /,

v . é. = u n + l l t " o @ e b icn , @ Ay-o AI/ A,

&6nido cn el problcma 24(¿).

=#5 ¡r [lr'" AJ

t

r 124

. , ¡.-

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

26, Siendo S una superficiecerrada y r el vsctor de posición de un punto cualquiera(¡, /, z) medido origen, demostra¡que

li

'.'-. I

lf T:,' es igual a:(n) cero si O es exterior a S, (ó) 4r si O es interior a S, Estaes ¡a expresiónmatemáticadel de Gaxss.

(a) Por el teoremade la divcrgencia

III, +*

il;

v

J

Perov'4:0

(Problema19,Capitulo4) en todo punto intcrior a Z siempreque / + " lj d e c i rs i e m p reque O seaexteri o¡aV y,por l otantoa.t. f" .e" aS = 9. [[

r

(á) Si O es interior a,S, consideremosuna pequeñaesferas alrededorde O, de rcdio a. la región limitada por S y r, segúnel teorema de la divergencia,se verifica ff = Jf f J 5 ' a s . Jf f J t+ !a s= Jf ?J v -fra v= o J J F , ' S+s .t s

ya que ¡ * 0 en ¡.

Por lo tanto,

I I r ^ =- l lv *

Js

Ahorabien,ens,,-", ¡= -I ff

¡. ¡.

dedonde!*

= - ll¡ - + ¿ s tJJ

ll!*¿ s r-

.tJ

= e4-a\'' =-!;t=

-5=-,t,

i l*^

s

""0

= + lld s

s

27. Interpretar geométricamenteel teorema de Gauss (problema 26). SeadJ un elementode superficiey unamos todos los puntos del conto¡no de ds con O con lo que resulta el cono que muestrala ñgura adjunta. Tracemosuna esferade radio ¡ con centro en O y seadS el área de la porción de esferainterceptadapor el cono; el ángulo sólído con que se ve dS dosde O es, por deñnición do du , - y es igual al árca de la porción de esferade radio unidad intercopiadapor el cono. Sean,n el veator unitario normal gxtsrior a y'r y 0 el ángulo formado nr por n y ¡; entonces,cos0Por otra parte, - -. dO: du¡

+ ¿5g.. r:

*

T

./.9, d. dond" ,"rrltu

D' ¡

i ;¡- dS, considerandoel signo + o el - según que el ángulo 0 formado por n y ¡ sea agudo u obluso. S€aS una superñcie,como la representada en la Fig. (a), de forma que una re{ta cualquierano

en más de dos puntos. Si el punto O es exterior a S, en una posición tal como I, +;

dS :

d@i en

TEOREMA DE LA DIVERCENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

#

,

r25

: --Júr. La integral extendida a estas-dos regiones es igual a cero, ya que las contribucioncs

solido s6 anulan. La intcgr¿l sobreS es ü+

^

= o ya que a toda contribución positiva le '

una neSa¡rv¿. bd aS:

casoen que O seainterior a S, en una posición tal como 3, T

o" :

da, y en la posición 4,

d@con lo que las contribucioness€ suman en lugar de anularse.El ángulo sólido total, cn este

cr igual al área de la esferaunidad que vale 4z; por Io tanto, J [ +

ot = n.

Fts. (ó)

Ft¡,(o)

Para superñciess que son cortadas por una fecta en más de dos puntos, s€ mantienen l¿s ñism¿s conclu!s (Fig. aó)). Si O ea exterior a S, por ejemplo, un cono de vértice O corta a .t €n un número par de veces co,ot.iU..,ciOtta la integral de superficiccs nula, ya que los ángulos solidos subtendidos desde O se an lan pres. Sin embargo, si O es inGrio¡ a S, un cono de vértice O-corta- a S eo un ní¡mero impar de vec€s lo la anulación ó produce solamento para un número É¿r de ellas, siempre hay una contribución de 4rr c la suoerñcicS, tr¡ido dc densidad p(x, y, z, t\ se mueve con una velocidad {x, y, z, t). Demostrar que si no hay ni fuenri sumideros

V'l

¡

+ S ot

= o'

siendoJ = Pv

Consideremos una superñcic arbitraria que limitc un volumsn Z de fluido, La m¡sa de fluido cn fz cs' instante dado,

t4 =

fff

lll

o¿v

"1 "

El incrsmento de esta masa cn la unidad de tiempo es

*, =*,lll,* ilt*,, r I

yon la unidad de ti€mpo es La rnasa de ñuido que sale de

á^" | Pv 'n ds J|J J quc masa en la unidad d€ li€Nnpocs' asimismo' dc cl incr€r¡ento lo 15) con

""

\

a{ orelrotrca t,

Z rnr'n snuss.f, ir '

/-=-_'-

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

126

-

I I P v.n dS t

-

JJ

lll

JJJ

Y.tptt¿v

v

segúnel teoremade la divergencia.Po¡ lo tanto,

I r f ^^ lll Y ¿v JJJ ¿I v

- [[[,.,0",, v

o bien,

[[[,v .,,,.!,0 , v

Como y es arbitrario, el integrandosupuestocontinuo, debgser idénticamentgnulo, forma a con.ir se hizo en el problema 12. Por lo tanto, V .J

+ v ?t

= o.

si cndoJ= .ov

Esta es la ecuac¡ónde con¡inuidad.Si p es constante,el fluido es incompresibley V . v : 0, es decir, de velocidad€s o el vector velocidad- v es solenoidal. J :

La ccuación de continuidad se aplica también en electromagnetismo,siendo Q la densidad Ovfa densidadde co iente.

29. Sea U(x, y, z, t) la temperatura,en el instante /, en un punto cualquiera(x, y, z) de un sólido y que k, q y c la conductividadtérmica,la densidady el calo¡ específicodel sólido, respectivamente,

que Demostrar constantes.

!¿/

=

.

stenÓok= K /pc

kV-2.. Lt ,

Sea l,'un volumencualquierainterior al sólido y S su superñcielimite. El flujq total de calor que o energiacaloríficaque salea travésde.t en la unidad de tiempo,es

ll r-< V u l. n ¿ s :" La energiacalorifica que entra €n S en la unidad de tiempo es. rf

as = f f 1< Vu¡ .n JJ sv

(t)

f ff

f lf 9.u9u\ ¿v JJJ

segúnel tcoreña dd la divergencia.El calor contenidoen un volumen l/ vienedado po¡

I

I

, ,, III "O v El incremgntode calo¡ en la unidad de tiempo es

*ill"0,*=Ifi",**

(2 )

Igualando,los dos miembros de (1) y (2),

'

ffl

lllf " p' '9 ! -7t

JJJ

9.6yu¡)av = o

f

y como fes arbitra¡io; el integra¡do, supuestocontinuo, deb€ ser idénticamentenulo, con lo cual

TEOREMA DE LA DIVERCENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

"e *

t27

= V' 1¡1 VY¡

r, c, p son constantes,

P=+v.vu =*fu cP D¡ :o, o lo que es igual, (esde.ir, k s€d€nomina dfraiyidad.En régimenpermanente ff del tiempo) la ecuaciónanterior se reducaa la ecuaciónde l-aplaceV'U : 0.

DEL ROTACTONAL DE STOKES en coordenadasrecel t€oremad€l rotacional de Stokcsy (D) expresailomatemáticamente ¡al curvillneade la componentetangencialde un vQctotA a lo largo de una curva simplec€rradaC a la int€gral d€ superficiede la componenteno¡mal del rotacionalde A extendidaa una superncie que tengapor contorno la curva C. tCmo en el Droblemal4(r), A = A íl + A 2 ! + hooces,

I

r

gla,

n = c o Bdt + cosB J + cosTk

kl

(+ -1ox4 " ,,. t4 4 ,-1 4 ' ,. + + + 1.= r q94"dz- 1&. rr or oY oa. oY ozl oz

Vx e

A1 A2 Ael

= , H: - p, " *o - ( *- p t" o " F ' (* = fr" o " z

(VxA).n A,dr

=

(ALl + A2t + /'€k]'.(¿' I + 4 ! + ¿z lr)

=

Atdx + A2dl +'Asdz

y b cxprcsióndcl t€oremado Stokescs

= n,r"*n,rr,n"n" coE [ [ r,9^!n- E9&r"o"c "' """ -'? . (14- g, ¿ " ) B - ,* -#rcosTlds f -

J J L ' Ai

€l teorema del rot¿cional de Stokes. I ,

Sca S una superficie cuyas proyecciones sobre los 6 xy, yz y xz ion regioneslimitadaspor.curvassim-

iomo se ináica en Ia figura adjunta.sr¡po-

I

I

por r¿s "¿nibis, ecuaciones las Eeu¿lrvrrvJ puedercprgsonlar que JS se qu€ ¡epr€sentarpur se puege úlo : ,{¡, z), siendo /(x, i), o bien,'¡ : gU, 2), o bien, v l funcionesuniformes.continuasy de¡ivables,hemos que

(v xA ) . n d s=

' I

I

+/'l ] /3 t)l 'nds JJ [V 'r,l 'i ,s

= $^ '0 ,

C el contó¡no o límite de s.

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA.TEOREMA DEL ROTACIONAL i

II

tl

consideremos. en primerrrg"t, JJ

I

[V x 1"{rl¡l 'n ds'

i

tJk Como Vx (l1i)

¿a¿

=

Oz.

Of

= oz

¿A,

¿A, =--r i oz

-

;i k, oy

A a00

[ V x 1 , { . r¡] . nd s = r} " . r

(r)

-

rt

}n.*,

S i z :/(x ,),)es l a ecuaci ón de S , cl vectordeposi ci óndcu¡puntocual quior adeSesr : ¡ i*yi á¡ az Af d¡

x i + y i +f @,y) k deformaoue ¡i

: i+ 6

k: t+ k. Pero É fr

es un vectortangente

blema 25, Cap. 3) y por lo tanto perpendiculará n, con lo cual

".$

=

".r*$'.r

=o

o

r.i

). = -ün.k

Sustituyendo €n (1) se obtiene

94-1 ,u- ?oj' n.u,r, r 4Oz n ,¡- ol n .r )d s = ( - +oz -o!? n " o bien,

.n] ds [Vx( .1r i)

(2 \

- ( +ót * $]¡ ".u óz d!

rt

= Al',y,1(',y\) = F(r,/):lu€go r+X SobreS, 11(2,1,2¡ + [ V x1 , 1 , 1 ¡d] .sn = -

$ ".u

,,

= -{

= $,

o!

con lo que rcducea

**

Por consiguicnte, lf

ff >F fv"(,{rt)l.nds -fr*t' JJ JJ

s.{

la proyección de .t sob¡e el plano xy. Scgún el teorema de Gre¿n en el plano, la {¡ltima siendo .¿R igual a {

Fd¡, sicndo f el contorno que limita a ,R. Como en cada punto (¡, /) de r el valor

mismoque el de ,{, en cada punto (¡, /, z) de C, y puesto que ¿r es igual para las dos curvas, se

o bien, tt

as = [V' r e1r lJ.n

ll JJ

$ 4at

Análogamente, proyectando sobre los otros planos coordenados, ff

ff [V' ( ,{ 2J).n] ds = .t^ ó

Az d!

3o f

t

f

J as = t f f [V'r ,r " u.n ju

A3 dz

I TEOREMA DE LA DIVERCENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

t29

ordenadamente, ff

| | rV ' n¡'n as = JJ

f

|

e.ar

:. ¡eoromaes también válido en el caso de que la superficieS no satisfagalas restriccionesimpuestas -!¡.mente. Para ello, supongamosque S se subdivide en regionesS,, S,, . . . S¡ de contornos limites l. . ., C¡ que cumplan las condicionesdadas. Para c¿da una de estassuperficies,pu€s se verifica el :¡a del rotacional de Stokos,Sumando las integralesde superficiese obtiene la integral de superficie curvilíneas co¡respo¡dientes, a lo largo de C,, G,..., C¡, resultaia integral !-sumandolas integrales a lo largo de C.

tIt

,bar el teoremadel rotacionalde StokessiendoA:(2x-y)i-yz"j-y'zk, superior de la esfera¡, + y, + z" : I y C su contorno límite.

S la superficie de la

,l

El contorno límits C de S es la circunfe¡enciadel plano x¡ de radio unidad y centro cn el origen. Sean =:es / , . y : s enl, z :0 ,0 = ,< paramétri c¿s 2 rr, l a s e c u a c i o nes de C . E n estascondi ci ones,

$ n.o, "c

- y * d ¡ - y 2 zd z

{ ,u-rro, 'c ? 21r

=

|

(2 cosr - senr) (- senr)dr

=

'tt

ijk

aaa

Vx A

¿"c 1- 72 2r -y

-yz2

-y2z

= = ** [[*."r' [[ ,ffrv' ^r' n as J ,' R ¡ue n'k

ü

dS : dx dy y JRes la proyección de S sobre el plano x/. Esta última iritegral es r|

n/t-rz

I I JJJ^J^¿

d 1d x -

4l

¡r

¡ / ur r 2' -

l

aya, = 4l

? |

/ilc

¿, = 7r

/-----;

Y=-vt-t'

!-omp¡uebael teorema del rotacional de Stokes.

Snficiente.

Supongamos

que

V

x A :0.

f

Por

el teorema

del rotacional

de Stokes

ff

= .f n.a, J J rv' n l.na s o .\,lecesaria. Supongamosque { n,dr:O Jr ' ¡lgún punto P.

a lo largo de toda curva cerradaC, y que V x A +0

Suponiendoque V x A e s c o n ti n u a ,h a b ¡á u n a regi ónenl aqueV xA + 0enal gúnpuntoP desu . SeaS una superficiecontenidaen esta región cuya normal n en cada punto tengala misma dirgcción

;l t' .)

t ¡

I3O

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

y sentido que V x A, es decir, Vx A: on, siendo a una constantepositiva. Si Cesel conto¡no limite por cl teorema del rotacional de Stokes, f

fr

=

$ t.ar J^

fr

f f lV x n ¡' n a s = , t lttt JsJ

n.nds ) o

que se contradicecon la hipótcsisde qu" f, n. O, = O y, por lo tanto, Vx¡ = ¿. J.

Se deducequc V x A : 0 tambiénes la condición necesariay suficientepara que una integral curvi fPc A . dr seaindependienrede la trayectoriaque une los puntos y ¿ (problemasl0 y I l, Cap. 5). -P; I

3 4 . D o m o s t r ar q*,u ue f

=

ffo ,vt,l- a s.

Haciendo A : B x c en el t€orema d€l rotacional d€ stokes, siendo c un yector constante, resulta

f "'t"'"' =

f l [ V x ln x c ¡] . n a s J

= ll f ".,r.,,", ...5[ ,.' = JJ "

irc . V lB - c (V . a )l . o d s

JJ J

fP

t,..v¡Bl. n ds - JJ tcrv.nrJ." as

ff

. l I c ' [ V r ¡ . n r ]¿ s -

f f c . [ n ¡ V . n ¡a]s

ts

rr c . J J t v @ . n ) - n ( V . B/)sl = , . J Jf r ¡ nxV¡ x¡ ¿ 5 r5

Ahorabien,comoc esunvcctor constante arbitrario,{ar, ¡ "

=

l'f ,nrVr, u ,, trt

35. Sean,/S una superficielimitada por una curva simple cerrada C, p un punto cualquierade .r'S qu€ tene.c€a C, y n el vector unitario normal exterio¡ a /.9 on p. Derqostrai que eo, diiho punto, I

( ¡ot A). n

?

J^ ^. dr

=

lim A,t-o hallandosl límitede formaque /S tiendaa confundirse con p. Porel teorema detrotacional de srokes.

ff

"^í

f.o, nr." ,,

AS

-

$ n.or.

"c

Aplicando el teorema del valor medio del cálculo integral, como se hizo en los problemas t9 y puedo escribir, f

(-{

A )*

I ^.d¡ AS

d€ dondc resulta la demostraciónp€dida hallando el límite cuando .r'S

-

0.

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

l

Estaconcrusiónsepuedcutirizarcomo pu¡to,de partida para inrroducrr el conc€prode ¡ot A (p¡obrema36) gran utiridad en el cálcuroder rot A en otro iistema de coo.a"naoasqu" no seaet rcctangurar.comJ '6 & j -t'dr es ra circulaciónde A a ro rargode c, la componentede rotacionalsogúnla normal puede se interF¡¡,

fisicamente,como el límite de la circulaciónpor unidad de área.

E¡¡odo en cuenrara definiciónde ¡ot A dadaen el problcma35, halrar la componentede rot A s€gúner eje z,

s

Ar ;' ' zl , resula

y" rectánguloparalelo al_plano,/ cuyo punto medio es p(r, y, z), como se obse¡vaen la tur¿ adJunta,y A, y A" las componentesde A en p s€gúnlas direccionesp"iii*ár'á" iá, --¡11,1-lfct ;;r;;";;: ¡tamente. "¡o LlamemosC al contorno del rectángulo;enlonc€s,

I

$^' ' ,

"c Ahora bien,

I

A. dt

A. dr

EÍ =

-T

! dAt

EF

^r)

"Zt

A . ¿r +

ef

fG

( At -

r

A . dr +

FG

ü

?.r,

_! - (At + 2¿y

A r)&

0fl

I

I n . a r = Gz+ *$ a " rn ,

v.o t

IIE

I

L,

| ¡. ¿,

! 7A" &lar 2¿,

dl A . d¡

EE

t¡lvo inñnitésimosde orden superiora /r /¡. Sumando,se obtieneaproximadamente

¿A" '4"

f e. ar uc

n, ar. *!r oy

Luego, como lS : lx /y, componentcz de rot A

:

(rot A) . k

=

f o'o'

liln AJ-0

AS

19v

,é¿,

=

lim A¡-0 ¿y-o ¿,

'- az

dtr.

-

-i -)¿_i 1^ ol

----&ry-

a7 ^

_ ?A, \

I .,,_J

t32

TEOREMA DE LA DIVERGENCÍA,TEOREMA DEL ROTACIONAL

Problemas propuestos 37. Comp¡obar el teoremade creen en el plano para

1t' \l*" - W,l at * @y - 6xy) dy, siendo C el

d e l a re g i ó nd e fi ni dapor: (a\ y:t/i , y: x,; (b) x:O, So/. (a) valor común :312 (b) valor común : 5/3 38. Hallar $ 12, + q¡ a, + Q: -

-c

y - 0, ¡ * r:

L

3y)dy, siendo C un¿ circunferenciade radio dos con cGntroen €l

del plano ry y que s€ recorre en s€ntidopositivo.

Sol. - 8n

39. Resolve¡el problema anbrior para la integral $ 1x, + fl ax + 3xy, dy. -¡

Sot. tzn

(x" - 2xt\ dx + (x'y + 3)dy a lo largo d€l contorno de la región definida por/':8¡ ! (¿) directamente,(ó) aplicando el teorema de Green. Sol. 12815

40. Hallar

("'.') 41. Haftar .f \e,l - t,¡ * " (o ,o ) S o l ,6 tr2 -4 i . 42. Hallar

! 5o/. -6

y ¡

I (3x, - 2xy) dy a lo largo de la cicloide¡ : 0 - sen0, .y : I - cos 0.

(3x' + 2y) dx - (¡ * 3 cosy) dy a lo largo del paratologamode vé¡tices(0, O),(2, O),(3, l) y

43, Hallar el área limihda por un arco de la cicloide ¡ : a(l -cos 0), a > O, y e¡ eje - ¿(0- s€n0), y S o l .3 n a z 44, Halla¡ ol á¡ea limitada por la hipocicloidex,t, + yzt' : a'1.,a > 0. Ind.: Las ecuacionesparamétricasson x : acos| e, : a sen"0, -y

Sol. 3r.arlg

,t5, Demost¡ar la igualdad x dy - y dt : I'dó, siendo(Q, {) las coordenadaspolares. Interpretar la I I x d y -y d x . 6 . Hallar el área de un lazo de la rosa de cuatro hojas p : 3 s6¡ 2¿. 47, Halfar el área de los dos lazosde la lemniscata Q, : a" cos2ó. ,|8. Hallar el área del lazo del folio de Desca¡tes x' * y' : 3axy, a > 0 (figura adjunta). Ind.: Hacer/ t¡ y obtenerlas ecuaciones paramétricasde la curva. A continuación.tener en cuentaoue

S ol .9nl 8 Sol. a2

q o 'á a )

erea= j$ , a y -y a "

t f sa(t Lf *a' Sol. 3a'12 I 49. Comprobar el teoremade Greenen el plano para

$ {2, - y"¡ a, - ,ydl, siendoC el contomo de Ia

limitada por üs circunferencias¡! + ),¡ : t , ,it¡

," : e.

so/. valor común : 60zl

TEOREMA DE LA DryERGENCIA, TEOREMA DEL ROTAC¡ONAL f ( - , , o1 -í¿ , + ,¿ " --P;7J(t,o)

a lo largo dc los c¿minossiguient€s:

Quebradaque une los puntos (1,0), (1, l), (-l'

l) y (-1, 0).

queunelos puntos(1,0),(1,-¡), (-1, -l) y (-1, 0), ll Quebrada : 3I, ¡¿integralc uwillrrx- depende do la trayectoriaque unelol hostrar que, uunqut!! ox óy t(-1,0).

Sol, (a) n (bl -n

Razonar la respuesta.

el cambio de las Variables (¡, /) por (|¡, v) scgún las ccuacioncs d€ tramfonnación x : x(u, v\, t : ¡(tr, y), demostrar que el área ,{ de una región X limitada por una cuna ccrrada simplc C viene dada por

= ^ II R

?r& ?¿ lt< ffitla"a,,sicndo I lffil = ?¡, 7r f u ?,

?o

d Jacobiano de ¡ e / raspecto de a y v. ¿Qué rostriccionos dobon hacsrso? llustrar el rcgultado para el GüO en que ¡¡ y v s¡eanl¿s coordenadas polafee. dx; transformarla cxprosióna coordonadasü, vy teneren cuontaol toorcnxa hd.: Aplicar,{ - | | xdy-y Gre€n. -

F.n/S, siendoF:2xyl

+/rrl +xzk y S:

(.) la superficiedel paraleleplpcdo limit¡do po¡ ¡ :0, .v :0, (¡) la superñciede la r€giónlithitadapor x : 0, .v : 0, y:3, (a\ JU 5trlz út. s¿.1.lal 3O {b\ tD' 35U2 Gmptot . el t€or€ma de la divergsncia para A: ZxtylSor. 180 atante limitada pot y' + z' : 9 y x :2.

z:O, z:0

y: x:2, x'l2z:6. f

I y z:3,

\r'-'

y'| + 4¡z¡ t cxtcndida a la rcgión del dr primer

osfcra do ¡adio 2 con contro on (0, q 0), (ó) la supcrfici. dcl cubo linitadro por r : - 1, z : 4 -(x.

y ::L z :-1 ,¡: + /") y el plano xy.

l ,y :l ,z : Sol. (a) l2tt

l ' (c) l a supcrfci c l i mi tada por cl perabol oi do (b) 24 (c\ ?At¿

SiendoS unasuperñciecerradaquc encierraun volunpn Vy L : ox | * ál I * czk' do¡¡ostrarque dS:(a*b*c')V. tf rot A, demostrarque JJ H 'n dS:0

SiendoH:

'

rrr

Ís

¡1

= ff+^ ..

t

tr af

D em o strqu are JJ '5nds = JJJst't¿v.

J

Demostrarque

aa

aS = 0 para tods supcrficiccerrsü S. JJ n 3

Demostrarqu€l¿ sogunal¡identid¿dde G¡€€nsc puodccxptcs¿len la fomra

-,t{ó¡¿v= I I,ot#- {'f¡as [ !¡J! ov',t' D€mostrar que

II rxds

^' n

para toda supcrficicccrradaS'

siendon €l v€ctorunitario normalextcriora unasupcrfrcicccrr¿dadcárc¿S,demo.t

Demostrarque Íff+

JJ

= o paratodasupc¡ñcic ocrr¿drS.

",

quo JJJ oi" o ar : s' f

TEOREMA DE LA DIVERGENCIA. TEOREMA DEL ROTACIONAL

t l4

Comprobarel teoremadel rotacionalde Stokespara A:(y-z *2)i-l(yz *4)i-¡zk, superficiedel cubo x : 0, -y .: 0, z : O,x : 2, f : 2, z : 2 por encimadel plano ry. So1. valor común : --4

siendoS

g xly k, siendoS la superficiede Ia Coñprobar el teo¡amadel ¡otacional dc StokcsporF : xzi-yi l i m i ta d a p o r x :O, y:0, z:0,2x .9ol . val or común:32/3. * y l 2z:8.

65. Hallar JJ (i ^A).ndS, siendoA:(x,

+ y-4)i

+3xyi + (2xz+z')k y S la superficie de (a)

s

semiosf€ra r' + y'+z': 16 por encimadel planox¡, (á) el paraboloidez:4-(x, plano xy. Sol. (a) -16n, (b) -4n 6 6 . S i e n d oA :2 y z i -(x t3 y _

2)!-l (x, I

se¿ciónde los cilindros x' + y, :

.n ds oxtendi d4a la super f icie de

z' )k,f," 1f" ,//(vxl l

o', x2 + z2: a, situada €n el primer octante.

67. Siendo B un vecior noÍnal a una superficiecerradaS, demostrarq ¡ggión que encierra ,f.

6E. Siendo{ e .a. = -lP c J^ I

¿t

ff".ru

JJ

+/r) por encima

Sot.-{Qn

J J J rotBdV :0, r

+

en dondc /c¡

ySuna superñcie cualquieratimit¿dapor la curuaC, demostrar

tll

V ^ E :---::1 co,

.

f

que f,ó 69. Demostrar

.F

ar = JJ ds x V0.

70. Aplicar la cquivalenciadel problema r€suelto25 para obtener: (a'¡ v ó, (b) V .A, (c) V xA en re{tangularcs.

7 r . D € m o s t rIaI Irvo qu.^ e a v = IJo t.n a s - [[[o v' r a v. rJ f

72. Sea r el veato¡ de posición de un punto cualquiera r€specto d€ un origen O, y supongaños que la I tiene derivadascontinuas d€ segundoorden, por lo menos. Repres€nt?ndoel valor do C en O por é o ! mando S a la superñcie cerrada que encierra el volum€n ,/, demostra¡ que

= [[!viÓ¿n' o llt+v*-ovrlrl'as .ty en donde o : 0, o bien, 4rÓo s€gún que O s€aexterior o interior a S, respectivamentc. 73. El potencial C{P) en un punto P(x, y, z) debido a un sistema de cargas €léctricas 4, q¡, . , . , 4, cuyos de posición son r¡, ¡!, . . . , r¡ respe€tode P vienc dado por .A

-

r,

9*

Demostrar el teorema de Gquss = 4,Q [[" .r" 3 siendoE:-vdlaintensidaddelcampoeléctrico,SunasuperficiequeencierreatodaslascargasyQ= la carga total interior a S. L{ 74. El potencial d(P) en un punto P vienedado por ó= I I I

siendo ¡/ una región,limitada por una

ficie S, en la quo la ca¡gaeléctricaestádist¡ibuida de fárma co¡tinua con una densidadp. Deducir, las hipótesisnecesarias,las fó¡mulas siguientes: ?f

(') JJ E 'ds = 4" JJ J p ¿ v , s ie n dEo: -v c .

JI (D A'é : -4:¡ g (ecuaciónde Poisson)en todos los puntos P en los que hay cargas,y VrC : 0 de Laplace) donde no las hay.

-,.,,,,/.

-]

I

tla

de (¿)

I

muna

Coordenodoscurvilíneqs

¿ de

(32 + úe I/ es

r

TRANSFORMACION DE COORDENADAS. Consideremoslas coordenadasrectansulares lrir -y,z) de un punto expresadasen función de las variables(ur, u", u") en la forma j,

¡ : x(ur, u", u"\,

y : y(ur, ur,u"),

z :

z(ub u2, q)

r bien, despejando(\, th, u), --)

ur:

ur(x,y, z),

u2: u2(x,y, z),

u" : u"(x,y, z)

[.rs funcionesque aparecenen (1) y (2) se suponenuniformesy con derivadascontinuasde maneraque ¡ correspondencia entrelas ternas (x, y, z) y (ur, ur, u") es biunivoca.En la prácüca,puedeocurrü que E¿ hipótesisno se curnpla en algunospuntos determinados,en cuyo caso deberánhacerselas consi¡raciones pertinentes, (x, y, z) se le puedeasociar,según(2), un conjunto Dado un punto P de coordenadasrectangulares iúo de números (u* th, ut) que llamarernos coordenadascurvilíneqsde P. Los sistemasde ecuaciones rff ó (2) definen las fórmulas de translormaciónde coordenadas. ñ¡nció¡ I loy

COORDENADAS CTJRYILINEAS ORTOGONALES Las superfrciesut: cb t4: cz, us: cr, siendo c!, cr, cs constantes,se llaman superfcies coordenadas; L intersecciónde cadapar de estassuperficiesdefinen fu líneascoordenadas (Fig. l). Si las correspondientes ¡p€rficies coordenadasse cortan en ángulo recto, el slema curvillneoesortogonal.Las lfneascoordenadas \, 14y us de un sistemacurvilíneoson análogasa los ics coordenadosx, y y z de un sistemarectangular. Fl8, I

x

YECTORES UNITARIOS EN UN SISTEMA DE COORDENADAS CURVILINEAS. Sea t * xi * i + zk el vector de posición de un punto P, Segrln(1), podrernosexpresarloen la forma r : | (u\, u2,ur),El vectortangent€en P a la línean, (parala cual r,lry ¡rB,sonconstantes)., Entona"r, fr,.-fir:

y s€ntido d yectorunitariotangente enla dirección delanterior es ":

#,llrf, l,

A"0""a"

n'

'. il

"r,

indo/rr:l; l.Análogamente,sie¡ye"sonlosvecto¡esunitariostangentesenPalaslíneasr4yn, | 0üa1 t2¡ | A¡ At .. lArl : hre,V lEp€ctivamente, seüene á"e", siendoOr:lU*F r":Jr-] Las maenitudes,¡,,¿,/r' Aur: fr llg(ma;n factores de escala.El sentido de los vectoresunitarios er, er, e, es el de crecimiento de uL,u4,ut, rspcctivamcnte. I

Como v4, ¿5un vector normal en P a la superficie¿rr: cr, cl vector unitario en esta dirección y sen-

\\

r

rr:

I

ti, .l

I

COORDENADAS CURVILINEAS

ll6

losvectores unitariosE, : i ulrli urly E" : Í u"l r tido vienedadopor E, : Var/jvl,l. Análogamente, en P a lassuperficies uz- c2yu3: f¡¡ f€Sson normales pecnvamente. Por Io tanto, en cada punto P de un sistemade coordede vectores nadascurvilíneasse püedendefinir dos sisternas unitarios e¡, ep,es.tangentesa las lineascoordenadas,y Er, E2, E3 normales a las superficiescoordenadascorrespondientcs(Fig. 2). Ambas ternassolo coincidiránen el casode que el sistema de coordenadascurvilineas sea ortogonal (problema I9) y juegan cl mismo papel que los vectores unitarios i, j, k del sistemade coordenadasrectangulares, con la única diferenciade que aquellospuedencambiar de direccióny de sentidode un punto a otro. Sedemuestra(pro¿r ¿r- ¿r y vu,. fa" , va. b l e ma f5 ) q u e l o s c o n i u n tos . , ¿ut du2 fus son dos sistemasde vectoresrecíDrocos. Un vecto¡ A se puede cxpresaren función de los vectoresunitarios en la base er, er, e", o bien, Er, Er, en la forma :.,, ! . = A re, + A re2 + A se3 = ¿1E . + orE p + o" E i ¡ { siendo ,41,A", A" y or, n.. a, las respectivascomponenfes ¿/eA en cada uno de los sistemas. Todo vector A también se puederepresentaren función de los vectores

, +, 3!. q v¿,,v,,,v,,, ¡L Óut out oug que, aunque también se llaman vectores unitaios en Ia base, no tienen módulo unidad en general este caso

,

I

A

= c,+

óu1

=

* c,PL + c"+ óut

OU s

= ctat + c2c2+ Csq,s

= ct|t + crfu+ c"B" ""iu" siendo Cr, Cr, C" las componentes contravariantes covaüantesdel ! cyc2 cslas componenles y

f

A

c19u" + cr9u, +

(problemas que tr, : 13 y 34).Obsérvese

f,r,9, -

aur, p : 1,2,3.

: ELEMENTOS P,E,TINEAY DE VOLUMEN. A partir de la relaciónr r (¿r,u¿,as)se * lL ¿u" = h1dv1e, + ht du" e2 + hs ¿ua eg + d¡. = 3! ¿r. * PL ¿u" ' '

óut

duc

dus

La diferencial de la longitud de arco ds es el elemento de línea y viene dada por ds2: dt. r1r.En los sistemasortogonales,er '€z : €z' e¡ : e3. el : 0, con lo que

ds2 = h?,dui + hf,dui + ti aui En sistemasde coordenadascurvilíneasmás seneral.véase el problema 17. A lo largo de la linea coordenadar,tr,son constantestr2 y ¡r¡, con lo que /r : hrdure, El elemento de línea ds,, segúna, en el punto P es,ltrdri. Análogamente,los elementos de líneaen P segúnz, y a. soirds, : h2dury ds, :hsdus, resPectiYamente. Observandola Fig. 3, el elementode volumenen un sistema de coordenadas curvilíneas ortogonal viene dado por

tt7

COORDENADAS CURVILINEAS

: VÍg/l

ld' e1).(h2du2e) x th"du"e"¡l l(tuduf

ilv\

I

ll

=

h1h2hsdu.du2dus1

i/

;.r -- | ;r, ' ¡'/. " d"l l

le 1.e 2xe3l

GRADIENTE, DMRGENCIA Y ROTACIONAL, Veamossu expresiónen los sistemasde ooorcurvilíneasortogonales.SeanQ una función escalary A: ,{, e1I A2ea* A"e" una función de las coordenadascurülíneasortogonalesub u2,u.i en estascondiciones;se verifica:

Y.n =

;:(\h243)

1/

.it

'i o/v Ir e

fé

=

\'/

= Laplaci¿node é

¡'ü d-c \ l' ;ldt'"

..

= h [*,*.8,- ¿X,*ffi,. r¿<f*eer]/

h1: hr: á" : I y q' er, e. por i' i' k, respectivamente, estasrelacionesse redücena las correspondientes en coordenadas retangulares,en donde(zr, r4, z") hacenel papelde (-r,¡r, z), En el Cap. 8 extenderemos los resultadosanterioresaplicandouna teoríamás generalde los sistemas oordenadas curvilíneasutilizando los métodosdel análisistensorial,

CASOS PARTICULARES DE SISTEMAS DE COORDENADAS ORTOGONALES. l.

Coorden¡d¡s clllnüic¡s (q, {, z). Se representan€n la Fig.4. a r=

ecos6,

siendog?0,

2. Coorden¡d¡s esférices (r,8, fl.

gsenó,

z:z

siendor¿0,

\('" \,-

h{:

8,

-,x h,:

<z<oo I

Se representanen la Fig. 5.

rsen0cos é,

h,:1,

y:

0Só12n,

he: l,

x:

,..' \i

-y:

rsen0sen {,

0<ó<2a,

2:rcose

0<0<n

ho: ¡, á¿:rsen0

,\

i COORDENADAS CURVILINEAS

t3 8

\)

.:.

Ft3. 5

- 3. Coordenrd¡scill¡dric¡s prrrbólicos (a, r, z). Se representan,en sección,en la Fig. y: utt, z:z ¡: |(at-É), siendo-oo

< tt < oo, vZ 0, -oo

h":h": En coordenadas cillndricas,u:

!/ur+vr, AA

!2p cos.:, -z-2

v:

< z< @

h,:l V 29 seni,

z:

z

k Fig. 6 muestralas proyeccionessobreel plano x¡ de las superñciescoordenadas. homofocales con un eje comrún. ¿-

f

F18. 6

\ {\-

-r1,

t19

COORDENADAS CURVILINEAS ¡1, Coordensd¡s p¡r¡boloidales

.r:

(¡¡, v, é).

.y: ¡lvsenó, ,:tQ'-ñ

rvcosd,

siendo¿20,

v>0,

0Sú<2n ho:uv

h,:h,:^/u"+v",

f, en la Fig. ó segiran las parábolasalrededordel eje x, y lo llarnamoseje z. seobtienendos sistemas l:rficies coordenadas.El tercer sistemade superficieses el formado por el haz de planosque?asan eJe.

!l

Ccorden¡dss cilindric¡s elípticas (u, u, z). Se representan, en sección, en la Fig. 7. , x:

¿cosh¡¡cosv,

0< v 17n'

siendo¿i0,

<z<oo

-a

h': aVsentr'u +sentu,

h":

z:z

/:4Senhrsenv,

h,:l

Lr Fig. 7 muestra las proyeccionesde las superficiescoordenadassobre el plano iry. Son elipses e homofocales. .\ ir

,_-

=2

¿.

3>/c

p o,rll6

¡+1'rilt

t Ftc. ?

ó. Cmrdeul¡s ¡:

esferoid¡l€s ¡lerg¡d¡s (6, ¡1,ó).

asenhf sen4cos{,

t:

siendoó:0,

¿senhf senl sen{' 0=4<t,

h¿: fio: ¿/senh"6 +sent?,

0l ár:

z:4cosh6cost,

f <?:t a senh6sen4

Si en la Fig. ? se giran las curvasalrededordel eje-x, y lo_llamamoseje 2,,se obtien€ndos sistem¡s ¡oerficiescóordenadas.El tercef sistema de superficieses el formado por el haz de Planosque pasan cste eje.

, I.M

COORDENADAS CURVTLINEAS 7. Coordca¡d¡s esferoid¡les sch¡tsdas .r

- acoshdcos Tcos í,

(f, ?, d). a cosh6cose¡sen z: ó,

!:

s ie n dfo= 0 . _ + = n s i,

asenhfsen?

o<g<2n

he : hn : a /ientrr 5 J ,"nz , , ¡¡ó : a cosh ¡ cos ,,

7,se ,tlj:^11-a.rq, girantascurvasatrededor del

.8",¿.""?",.'Eii.",l;fffi:.:::Ji,Hl,¿,; seobtienen dos 'ormado J,ill,T,*,;n,*:: Í:,,:ffI"",,:. por et haz de planos qu-e

por este eje. t.

Coorden¡daselipsoidales(1, p,

u).

r,

*- *.- *= t2

!2

" " :i ' f_ r, ,l u2e,2 ;- -+ --+ a t--v

l.=r

r.{i

^z

ri

It l¡

r

l /_ - - - '- -

!

9'

coorden¡d¡s .bipf-f" x2 +(y-acotu)¿:

a¡ csc¡lr,

t, f¡

.l

I

I I

r-

h.

"

|

= :

I

,- - - ;:.- - :- ;i -

\/-pt(^_ul

zV @:n@:pr(q-,

(^-v\(tL-v\

(r, y, z). se representan en la Fig. g.

f

t-

c2< b2< u< a2

z V <¿-i<t"-="i|_.

i'f

t-

c2 ( l t 1b2 < o,

" r_, --

Y A-rxó-¡á-rl'

t",|

H

= I, I,

b' _u

/--:-------.--(/¿-A )l r-l \ /

H

,2

tr .""<b,<o"

[¡"'

(¡_acoth v), f /r:

ascschrv,

a

COORDENADASCURVIL¡NEAS o -!,

¿ scnh y c o s h y -c o s ta sicndo 0Su<22,

¿ senr¿

y: _oo

l4l

cosh- y -cos < y < oo,

t¿ '

< z < o0

-@

a cosh l, -cos

u '

r': Fig' g muestraras proyeccionesde ras superficies coordenadassobreel prano xy. Girando las ahededor del eje y, y lo llamamos ,, ." irUtl*" un ;;;;;, o" coordenadastoroidales. --s "¡.

Problemas resueltos L Dcsc¡ibir las superñcics y llnc¿s coordcn¿das d€ los sisemas de coordenadas: (a) cifndricas y (ó) esféricas. (¿) Las superñciescoordcnadas (o supcrficies de nivel) son: : cr cilindros coaxiatcscon el cjc z(o eje, si c¡ :0), 0 ó : cr planos qu€ pasan por el oje z. z : cr planos pcrpendiculercs al cjc z. Las lfneas coordcnad¿s son: tntcrsccción dc p : s, y C : c¡ (lfnca z), una racta. Int fscoción dc Q : ct ! z : c¡ (lfnca c), una circunfcrencia (o un puntoli' Intcrsccción de (:c¡y z: c¡ (lfncae), una f€cta./ (ó) L¿s supcrficias coordcn¿das son:

,ú

¡ : cr csfcras con cGntro cl o¡igen (o el orig€n si cr : O). 0 : c¡ conos con vértice cn cl origen (r€ctassi c, : g 6 i, plano ¡/ si cr : r/2). I : c¡ planos quc pasan por el cj€ z. "¡

jr

Las lfnc¿s coordcnadas son: Inlersccción dc , : cr y 0 : cr (llnea ó), una ci¡cunfcrcncia (o un punto). Intcrsccción dc | : cL y í: c¡ (llnea 0), una semicircunferencia(cr * O). Inters€cción dc 0 : c¡ I ó : c¡ (llnea r), una ¡rcta. 2. Exprcsar las coordenadas cillndricas cn función de tas rectangulares. _ Las ecuacionos que deñnen la transformación de las coordenadas ¡€ctangulares a cilíndricas son: (/) ¡: pcos é, (2).y: esen ó, e)z:z Elevando al cuadrado(1) y (2) y sumando, p¡(cos, C * s€n, {) : ¡r +/r, o bien, x1 +y', y a q u e cos' d + sen¡ ó: I y es posi ti vo, e :\/ I sen ó Dividiendo (2) oot 0t. !- :p ¡;iP;:ta só' "" ¡

o bi en' ¿:

LueSola transformación pediü es (4) e:\/x,

+y',

(J) d:

ar" rag! ' arctag{ , (6) z:2.

Observeseque d es indeterm¡nadaen los puntos del eje puntos s¡ngularesde la transforñ¿ción_ ' z (x :0,

, :0),

Estos puntos se llamao

I .)

'

/1

COORDENADAS CURVIL¡NEAS

"d\ i.)

3. Dcmostrar quc el sistema d€ coordcnadas cilíndricas es ortogonal. El v€ctor de lneición de un punlo en coordcnadas cillndricas ss

r:

e c o sC¡ + e s ó nCj + r k

¡l* ¡C+ z k :

Losvocto¡€s tangentes a l¿slfn€as0, Cy z ücnendados,r€sp€ctivamon b, p* .At

: cos0r + s€n0l'

ZA

\

?T

: -:e ¡en{¡ + scosói,

E

+,

-?, , +

: *

Los vcctor€sunitariosen esasdircccioncsy sentidosson arlap

-

cosdl+scn dJ

q ':6 ¡á ¿ 1 :

'r:

a a{

c- ' : c ' :

cosdi+s€nll

/ffi:

-pson ll * pcosCt

i a f n :7 5 ffi*:

: - s€ n ó l+ co sct

tul0z I attair:l

c¡:et:

Porlo tanto,rer.er): (cosót + rÉnól).(-scn Cl *cos CD : 0 €r-e. : (cosCl + scnón,(k) : O q.e, : (- scn{i + c¡s CJ).(k) : 0 con lo quc, rr q y e' sonDutua.mcntcpcrpendic.ularcs y por ello €l sigtotlradGcoordcnad¿s €sorúogonsl.

¡1. Reprcscntarol vactor A:

t-Z{

**

c¡r coordenad¿s cilfndric¿sy dctcfmin¡r i¡,;;¡,:

D€l problcrn¡3, :t" ;

¿ \.1

_({)eo,= c.isql+s6n f 11 1,.@.r= i.-t,ai--1/-Qi+t¡,Q¿ l-ii.¿: Rcsolücndoel sistor4aformado ¡ror (I) y'(4,

, \ )

i : cosri-s.n

, li,

/{

i'¡i

\I yVl ),',.tj t l y

j : scnrc? + cocl.,

zl-2xl + y\

A:

Lluogo

ó Ga,

(t) ¿,:k

-s¿n dl+cosC,

,'

: dcos I c" - senú cr) - 2e cos I (scnI e¡ + cos t c.) + e $n I c' = (z cas{-zee,s {scn f)g-(zscn ó * 2pcos'{{} c sonlgi

An:

Fw ó-zQcos órct í,.'lt:

¿ .d : A : J c¿, á.n: á rGpocto dol ticmpo

5. D€moskar quc

-{q,

-zsan ó-Zpcos, {, A,:

Q*ni,

cn donde cl punto sobr€ Ia función f€prrscnta la

Dcl probl¿rm 3,

e: Lucgo,

d

c o s l¡+ rc n lJ ,

Gí : - scnlt +cos rt

7íq

: - (scnó)1lt+ (cosC)¿l : (- scnót * cosll) { : Cc¡

d det

: - (cosC)dl-(scnó)Cl : - (c o sCi+ s ó nCl)d * -{ S

l -

COORDENADALCURVILINEAS

l4l

la velocidad v y la ac€leración s del moyimiento de una partícul¿ en coordcnad¡rscilíndricas

de posiciónen coordenadas r€ctangulares es r : ¡i * yl * zk y los vecto¡esvelocidady ace_

bff"tf"rfr

, =

=

#

+i !+'zh

. =

#

= ' ir + ir + . jr

En coordenadas cilíndricas, según el problenra 4, = ,t+ y t+ z t

t

= (p c o s fy l c o a$ co _senóe6)

,t,,.'-

+ (p senp)(s€n+ c, + cos ó eé,, + z ¿z pep+ zez ¿p

_

L u e s o , v = ,t_ 'r =

de^

pí

i"o*

tfr ""

= i.p+ p$"f + ie,

t,

;úD €l problema5. Derivandonueva¡nenre, a = dJ

=

+ p$e6+ ier)

*,tiV

. ideé = ;d3.: t Peo + PQ7;+ - P ¿; .l

i ó .6 *

.: .. PQeó+ pQe6+2e"

i i " , *.t p$¡ $.0)

+ póeó+ i$e6+ .;e"

- (i ; - p f>.0 +* <pó+ zp$¡ e,+.áe" Eúr el problema 5.

F

hlla¡ el cuadrado del elem€nto de lfnoa €n coordenadascillndricas y determinar los factores de escalaco¡resFd¡entes,

,... pcos4,

r: -Q senidó + cosóde, [..Ego,

d/*

dx 2+ d y ' + d z ¡:(-p s e n

drl

.

x

.:-

'do.

y:

ewr|ú, z:z pcosódó+ ff.)aóae, dz:dz

ó d 4 * c os dtdp)!* (ecos i dé + * nódpY

f @i,

(dú'+ e'@ó)'+ (dz),: hi@d"+ hi@ü"+ hi@z), c donde ¿1 :

he :

l, ho : h :

p, h" : h":

hundo método. El veator de posición es r :

, : df : : Lrgo,

ds! :

ar , de

Ap

-

fu ,, aó

a6

l,

son los factoresde €scala.

g cos / i + p s€n CJ + zk.

Ento¡ces,

ar

+ -U ;4 ,

( e o s/i + s € n Cj )d e + (-p s e n di + ecos 4!)dó f kdz (c o sd d p - p s e n g d s )t f (s e nC dp + ecos4dó)j + kdz

dr.dr :

(cos {d4-

pscn CdC)'+(s€n dde + e cosó dó), + (dz),

: (dd"+ e,@ór, + (d,),

i .:¡¡ )

I

COORDENADASCURVILINEAS

3. Demostrar qu€ el sistemade coordenadascilíndricas es ortogonal. El vector de posición de un punto en coo¡dcnadascilíndricases

r : ¡i + -v l+ z k : e c o s Ci* e s € n Ct lz k Los ve{torestangentes a las llneaso, d y z vienendados,r€spectivamen*, no, f

0r

a. +uy :

:cosdi+s c n d ¡,

-esen9l +

S cosC ¡'

fr, +

, +

a' E :l

Los vectorcs unitarios en esasdirecciones y s€ntidos son €t :

A rl A o --;-;-: I orléQ i

qo : '

cosdi + sendl ---_ - : : y'cos'C * sen¡ d

Arla6

cos ói +sen ói

-psen ói + ecosCJ

r er ladt:/n' *n,aañ e¡ :

ArlAz :-=--:

e, :

I ofloz

Po r l o ta n to , er' err:

I

-s€nCl+cosdi

k

eri c! :

(cosC i + s€n C ¡).(_scn C l + cos C j ) : (cosdi + s€n dJ).(k) :0

er.e!:

(_ s€ndi + cos

O

C J).G) :0

con lo que, e' e" y e" son mutua¡rente perp€ndicularesy po¡ ello el sistema de coordenadases ortogona,l.

4' Reprcsentar el v€ctor A : zi -

2x! + l.,k cn coordenadas cilíndric¿s y determinar An A1 y A,.

Dcl prob¡ema 3,

lj)

o :-T; r,t,Iy."..t! (2)et: -senr¡ +cosc,

(r)¿,:k

Resolvicndoel sistemaformado por (1) y (2), I :

I

cos C qp-sen C €c,

l:

scnde! +cos óet

LucgoA : zl-2xliyk : 4cosóge-s€n Cec)-2ecos d(s€nú€" + cosr el) + pscn Cc, : (z cosó-Z|cos dsen{)q-(zsen C + 2pcosrC).90 + o senC,ar,/

/

Ao : z.casó-2ecos Cs€nó, ,t : -zscn C-2ecosr {, l, : e*n l.

I

d: dl Z* E: ¡esp€cto dol ticmpo

J. u€moslrar que

óec,

i"l:

-iC,

cn dondc el punto sobre la función ¡Epr€scnta

Del problema 3.

E:cos{l+scnCJ,

ft'

_d

tuego,

: ¿ 4 dt

tr :

c, : - scnli +cos dl

- (s€nd)iÁi+ (cosC)lj :(-scnCt+cosóJ)d:de¡ - (cos¿l d'i - Gcn d) jj

: - (cosCl + s€nI J)C : -{S

---\}

I COORDENADASCURVILINEAS

l4l

la velocidad v y l¿ ac€leración ¡ del movimiento de una paricula en coordenad.ascilíndric¿s El v€ctor de posición en coordenadas r€ctangulareses ¡ : ¡i * ¡i + zk y los vectores velocidad y accEión son

+!t+i h

,=#=

¡ = 4-=\*7trz..

y

En coordenadas cilíndricas, según el probl€nra 4, = ,l + r!+ z l

.

_a

= (p c o s d ¡1 coe@eO - scné e4) + 1p sen @¡lscn @ c, + coa ó ai), + z ez = Pep+ z ez

L u e so ,

=';,- =

"

dp

l .o*

de^

ol

. " i" " = i" p * p $ . n + ie " ¿.

rgún el problcma 5. Derivando nuevam€nte,

"

= + = ! G " o + p g e6 i+e ",t - * pói+ ^ i¿ ' ó . pé.r ^ \ + |$e6+2e. * i:.p - ¿ r!

= ;9

= i ó"0* í% r p ó e , í e ¡ + p ó e 4 + i$ e r + z e " = ti i- pé?t.p, p $ * z i$ ¡ " , * ' i. "

il

tgún ol problcma 5.

Ilallar el cuadrado del elemento de línea en coo¡denadascilfndricas y determina¡ los factores d€ escalacoffes¡ondientes. Primer método. x:

¿l¡ : -qs€n ódó +cos íde,

pcosó,

dy

-

y - esefró,

z:z

ecosódi +.É,nóde,

dz -dz

Lucgo,d.rr: dx'+ dy, +dz¡:(*esen 4d4 I cosdde)s*(ecos Cdd + senídd'*@z). : (dp), + p,(d$' j (dz\' : hi@d, + hi@ó,' + hi(dz)' & dond€,h : ho: I, h": h¡ : e, h": h": l, sonlosfactores deescala. 9gundométodo. El vectorde posiciónes r:

:

At A¡ ,. Ar + + óQ o zz o8 -d o ' -d ó -d (c o sd i + s e n d ¡)d e + (-e s €n

:

(c o sd d e -

, dr :

ds ' :

ecos Ci + ps€nÉj + zk. Entonces,

:

pcos ó

dó + kdz

p s e n /d d )i + (s€nC dq + Qcos4dí)J + kdz

(¡o s /d ¿ -

d r.d .:

Ci+

p * n ó d é ),

+ (s€ndde * p cosódó), I (dz),

(d P)' + e'@4)' + (dz)'

i .)

I

COONDENADAS CURVILINEAS

I

l,t4

I

t. R€solvcr cl problem¿ 7 cn coordonadas (a) esféricas y (ó) cilíndricas paraÚlic¡s.

¡ : r s€nocosc,

(a)

f

z:1c¡A 0

rsenosen í,

t:

ódr - r ssn0 scnCdd * ¡ cos0 cos 6d0 + *¡ 'cfÉ : d 0 s€n s€n dr d, ¡ sen0 cos ó dó + r cos scn ó d + { : dz - ¡*n0 & *cos0dr

Entonces d¡:

con lo quc (dr)' :

(dz)' :

(d¡)r *(dy)'l

tos factor€sdo €scalason h,: ¡ :

(ó ) E n to n c € sd ¡:

(dr)'+ r\do)' + r'sf,'¡'o(dü' he: r, h¡: ht:

I, h:

h,:

Y:

ü(.¡¡-Y t)'

u 4 -vdv,

dt:udv

r*t9.

2:z

uv,

dz:dz

* vda,

conlo qu€ (dsr' ':'(dx)' +(dy\'+(dz\': (¡¡r+v¡)(¿/)t + (u' + t:)(¿tv)'+ (y'zt' Losfactores d€escala soná, : h, : \/ u+ v' . h": h, : \/A +nt , h': h, : l. v-'.

lt t 4ur y LJ . t . t

_

t t,..,./va,

j"/ o

'

"tJ' . , , , ) , J , ,';

9. Represontar y hallar las dinreísiones del elemento de volu¡nel

¿ en coordenadas (a) cilínd¡ic¿s y-(á)

(a) L¿s dimensiones del olemento de volumen en coo¡denadas cillndricas (Fig. (¿)) son e dó, dp y dz, yt vienen dadas por ds,: h, tl\ : (l) (det : de,

dt:

hdu¡:

p d4,

ds. : (r) (dz\ : dz

utilizando los factores de escala obtenidos en el Droblerra 7.

i¡ .-l

l

i

Fig. (¿) Eleocrto de voluEe¡ en coorderad¡s cilíndrlc¡s

Fig. (ó) Elem€nto de volumen en clo¡der¡d¡s

(ó) Las dimension€s del elemento de volumen en coo¡den¿das esféricas (Fig. (ó)) son d¡, r d0 y r *¡ ya que vienen dadas por d s ,: h ,d u , : (l )(d!l : dt,

ds¡: hzd* :

r& ,

utiliz¡ndo los factores d€ escala obtenidos en el problema 8 (¿).

ds,:

h" du, : r* ¡ 0dó

-\ COORDENADAS CURVILINEAS cl oleüEnto dc volumcn d/ c¡r coordGnadas(o) ciltndric¿s, (ó) €sf¿ricasy (c) cillndricas parabólicas. E clctncnto dc volur¡rcn en coord€nadas cuwilfncas onogonsles ¡r, ..t, r¿rGs dV: En coordcnsd¿s cillndricas, a, :

e, ut :

h, h¡ h¡ dardq dut 6, ut : z, ht:

(trl € )o )d Qdódz

d V:

l, ,t : p, ¿t : I (problerm ?). por lo tanto, :

Qdedódz

También se pucdc obtener di!€ctanenta obs€rvando la Fig. (a) dol problema 9:

En coordcnad¿s csféricas,a r:L lr¡to, dV :

t,:0 ,

u ¡:

i , h,:1,

ht:r,

(l\ (rr(r st 0\ dr & d{ :

h¡:fs€no

(probl ema8 (a)). P or l o

rrffiíúdOd{

También so puedc obte,nerdircct¡urnte a padir d€ l¿ Fig. (ó) dcl problema 9.

cilfnd¡icasparabólic¿s, ur: ü, ur: v, .!, : z, h:1,/irTl, F¡ coordenad:s (problema 8 (ó)). Por lo tanto, dV - (\/ u, + ü (.\/ri. + v\ (t\ du dv dz :

h. : \/7i-+ ". , h. - |

(u, * vrl du dv dz

(¿) los factorcs de esc¡la y (ó) cl el€Nnentode volumcn dll en coordenadas esferoidales achatadas.

¡ : ac os h ¡C o s ? c o s ó ,

./:4 c o s h

É cos?sen6,

z:

¿senh6sonA

dx : - 4 cosh 6cos?sen CdC-acosh I scn 4cos ódq * a *rrh 6cos Zcos Cd6 dy : acosh fcos4cos ód6-acash 6senqsen 4h + a frr,nhfcos ¡sen Cd6 dz : ascnh fcos ?d? + acosh ¡ s€n?df Entonccs (dr)t :

(dx)' + (dy), + (dz), :

a! (senh' ¡ + s€¡! 4) (d¡)' + a'(s€nhr 6 + sen! ?) (d?)¡ + a¡ coshr 6 cos' ? (dC)r

f

h : he: 41,/scnhtf + s€nt? , h":h,t:a/s6fr[i-F?s€n,4,

h, : ht : a cosh6 cos?

dv : (at/ *nW ¿ + *n,,ü G /Gh--T + s€n' 4) @ cosh€ cosri dt dn d 6 : ar (s€nh¡f + scn' ?) coshI co} rt dEdI d{

las expr€sionesde los slementos de su¡erficie en coordenadascurvilíneas ortogonales. Obsorvando Ia Fig. 3, pág. 136,Ios e¡ementosde super6cie vienen dados por dA :

l€¡xerl:

l(h¡ dqe,\ x (r¡ ¿¡r e,) | :

lr¡ /r¡ le¡ x eo I du1du" :

hh" du, du,

I r

I:.

¡.

le,¡:

t. Análoganente,

dA, :

| (h, du,e,) x (lr, ¿r, et) |

h h' dh du.

dA, :

l(hdqe)

x (h, dqe) |

h' h, du, dul

1

I

l4ó

COORDENADAS CURV¡LINEAS Sie¡do ¿r, ¿¡, ,r¡ las coord€r¡adascurvillneas ortogonales, dcmostrar quc al Jacobiano de ¡, /, z l¡r, ¡r, .¿¡ es

?¡

?v

),

ü a t¡[ 3x

7y

7z

óU q

ótte

due

7r. ?u"

7y ?r"

Zz ?r"

=

h th ..ü

Según el problcma 38 dcl C¡pftulo 2, el determinante dadoesigual a

?"

(-l oul

+

a,

7z

+ <- h ) . óut

our -4J

-

?¡

&.?¡ "?¡ ?u,

?u2

?v

( '{- - l + 1 l J óuz ott2

ó""

+

E. ott2 -I)x(-

=

Ár€r' h2e2 x hseg

=

htbho

e1' e2 x es

?¡

Ev

l +<- J +<- k ) oug oua

=

2z oug

hthzhg

ar ar a' si cl JacobianoesidénticamcntenulLo,losv€ctores -6r,, dr", son coplanariosy las á,

(x, y, z) estánligadaspor una relación del tipo F(x, y, z) : 0. Por consiguient€,p¿ra aplicar una ción d€ coord€nadas es necesario que el Jacobiano corr€spondiente sea distinto d€ cero.

frf 14. Hallzu J J J

(¡'+l'+

zr)dxdydz siendo / una esfqa d€ c€ntroel origeny radio ¿.

Fk. (o)

Fr¡. (ó)

La intogral pedida es ocho vecos la integral sobr€ la parte de esfera contenida en el primer (rig. (a)). En coordenadas ¡ectangula¡es,

s

¡o

J

¡ /-a2-x2

J

u.o y.o

r /7=V=7

J

+ z2r ¿2¿rd' @2+.f

z¿o

p€ro su cálculo, aunque posible, es complicado. Resulta más fácil utilizar coordenadas esféric¿s.I €ste tipo dc coord€nadas,€l integrando.:, + y, + 2., s€ transforma cn ¡', y cl elomonto de volumen,

COORDENADASCURVILINEAS

t47

rúfÉrte en r,vrrgdrd0dó (problema l0(ó). Para ¡ecoüer Ia región del prim€r octante,sc tian 0 y C ,Jrf y s€ integra desder :0 hasta ¡: a; a continuación,manteniendod constante,se integn desde =l tA : z / 2y , ñnalm e n te ,s e i n te g ra re s p e c to d e é desded:0hastad:z/2,H emospl anteadol a ión en el orden 4 0, f, Wfo s€ podia hab€r s€guidootro orden cualquiora.

, ["" ["" J' <*rrr*n o¿,¿o¿ \ = " I"n f^ f r=0

6=0

¡=0

ó=0

8=O

r' sen0&dedó

¡-=O

1r/2

=+ ' ' r["* ,["""l *neli-oaeaq J,'" J,

=+

*n0 a0d$

=# = ,o"o("o¿ó J"" J"""'r

r JI 41roa

Fnq¡r¡ente, la integral representael momonto de inercia de la esfera respectodel origcn, es decir, el momento de inercia, siendo la densidadde la esferaigual a la unidad. rr E¡ general,cuando se pasa de coordenadasrectangularesa coordenadascurvilfnoasortogonales,el cnto E¡lo

de volumen,dx dy dz, s€ t¡ansformae¡ h,h"h"dudu"du",o su equivalentc,t l+"a") ./ el Jacobianode la transformaciól de x, y, z a ¡.¡',ar, ¿' (problema l3).

jrÉlo a1,¡/',a¡laslíneas demostrar curvilínoo, coordenadas deun sistoma tue fr,

+,-h,Y

du,du,du,

vr¡r,V¡¡,

i¡¡ son dos sistemasde vectoresreclprocos. \ l s i p :q ' " I(v^s tP+ -; q .

at Tcnemosquedemostrarque j;o ü t 'vu.:-

endondepy4puedentomarlosvalo¡es1,2,3.

F

fr ticne,

dr

=

3r ¿u. * dr,

a¡ au"+ ll ru"

7n"

Multiplicando por Vl, .,

V,1 'dr o bien,

-

du1 =

a¡

tVur'*rl¿,,

= 1, Vur ' ?,,.

+ (Vur'

vrr. A , = o ,

{rrn

V r, '

,

tVur'*l¿,"

a

?u"

\nálogamente,multiplicando por V|rr' y v¡¿s's€ demuestranlas demásrelacionos.

rx m o s t r a r q u e {*

# ,.*}{e u ,.i v" ,v," }

= r.

ar ar a' dc YectorssPorlo tanto V¡rssonsistcfiasrecíprocos -AC, -ft V Vu,, V¿¿', Segúnel problema á, ", !¡ demostracións€ deducedel problema53(c), Cap. 2.

-r)

lrE

COORDENADAS CURVIIJNEAS Es¡o rlsultado'oqüivalc a un tcortú[a dal ,¡cob¡¡so,

a"!

3rr 3c1 ¿r Oz

dt

b

iq.9u2r.O*,

a¡ 3s &

e dcrtet(#th\

kot

4", ?: llg

, (

¡t. r2t l¡t ) t'f,.

Er

¡, trúrodococrnrrsotprobt@¡13¡

-

^ry#l

?¡2 dt

t?. Democtr¡r quc cl oradndo dcl Gl@tto do lfnc¿cn coordin¡das cunillnca¡ ra puodooxpncar por g3

ds2 =

X

X +q '\hc

q'r

,'L

Tcndrcmos,

g

¿t -

¿u, *

llt ola

¿r.dr

=

@t

Por lo tanto,

.

dtz

o

du?+ Aa.q

Cr'c-

gd4

+ &2 du2

¿ttLdt2+ gr.q

d¿1iu3

+ Q.Al

du2til,a+ q.As

duf, + Q.g

+ ds.q

d¡s de1 + Q.Q

dasdu2+ q,drd":

3g

"

GRÁDTENTE,DTVERGEF{CIAy ROTAOONAL

ORTOGONALES

^ TPy- ^-* lt. Dcdr¡ci¡ ls cxpr€ciónV(D cn coordc¡radascu¡vilfn€at¡ortog6nato, Se¿ ViD = f¡cr+ foeo+.fs 03 con t1,¿,/3 c¡aúsicnté a dctcrnimr.

como & = + ao1t $aoo* $ao" ' duz ' tsq ü1 .

hlc/.tttr + h2 e2du2 + f,s c"dng

Irsulta

Por otr¡ púrt!,

.

(¡)

de

(2'

ae. ffia,r *#or*.ffia,,"

VO. th

d4 dus

, sioado\q = cr'c,q

E t*dgd,n F q.L

).!

r

+-dk ote

-

¡.|.hdt4+ hfztbz + fu/edq

COORDENADAS CURVILINEAS

Igualando(/) y (2),

k

r= r 3 e

r=1?E

'1

'z

h,aur'

¡, éu2'

,-,"

r a iD.

[ a,t

vé = htp gg.p3É.e"g9 dut hz du2 '

lo tanto,

fu ?rg

E¡¡ rclación indica la equivalencia operacional

g3 eo3 v = bt33. out h2 du2 - ls du" ¡o3 s€ teduce al operador Ven su for¡u

bn

norrnal en coordenadas rect¿ngulars.

u,, uo,u", coordenadascurvillneas ortogonales. (a) Demostrar que lVuDl:h;r,p:1,2,3. (ó) Demostrar que e, : E .

¡¡¡ S eaQ : ul en e l p ro b l e ma1 8 . En to n c € r" s: logam€nte,haciendoé

+

: y - u, u,, lAu;1

y l V arl :

l e,l l h,:á,-r,

ya que l erl :

t. A ná-

¡rt y lVu,l : h;1.

&, Pord€finiciónEr:#fr.**r"r,sepuedeescribirEr:hoAuo:eoqteesloquosequcrf¿demostrar.

Iaostrar que er : ¿¿á! v¿¡ x v¡/' y que e¡ y e" vienen dados por ecuaciones análogas, siendo r¡r, ¡r, ¿¡, oordenadas curvilíneas ortogonales.

sesúnclproblema t9, %, =

fr,

V""=8, %" =;.

3" €t = Por lo tanto. V,, t Vu" = 9¿l n, 4 ll-th"

E¡ €sidp.t.-

Arálogamente, e, = AeilVu3xVul

y

fti

,IIr l

- -vu2t Yus et = hztB

I

I

,l

I

ca= h]2Vu'xVur,

I

,l

lmostrar que en coordenadascurvilíneasortogonales

(d) v

(drel) =

{1e,n,ts

th"

a ¿( ,{ ,¿,) 1á ¡ V x 1 l ,e ) = jnI) n7 aus . ¡oálogamente para los vectores,4¡e¡ y,4s€r.

r

.e+ hthz

¡ *;tlrt"tl

(

Del problema 20, V'

(l1el)

=

9,

=

VéIh2hr.

qArh2hrix2xgu".¡ Vr2'Vr"

+ A]2fug,

qyu"xVx"¡

= gulhzhs).ff'fr. o = i6,n;'¡t.fr¿

= =

n"t' f; ];e,t"r'") * fr f,*,tn", [f r},^u't ] 1a

€r

hzt¡

hrr,rr," zí)éthzhdt

., /l

l

llt,

ADAS CURVILINEAS

COO 'E

(ó) Vx (,tl"J

= Vx ¡,t1Á1Vr1¡ .

V(1Ár¡.x Vr, + 4hrVxVu.'.

= Vq,rrl.¡rfr +0

=[; ftu,^,, * ftft<tl,t frf;,r,^.,]-; =ftftr,,,u - frf;,,,,,¡

Zl. Expresardiv A : V 'A on coordsn¿dsscurvilfnc¡s ortogonal€s. V'I

V' (Aa4 + azaz + ,{oGs) .

'

-

I

V'¡,trcr¡ + i,1,1"4¡ + V. (.{re")

* 3tarroJ f3,rr44, ' -' * ]1,r,r"rr¡ 7a' " ^' Eu"' - "'l

t"194 l?ur "

aplicandocl probhms 21(o).

Zl. Expf€ssr rot A: Vxl

.

V x A en coord€nad¿scuwilfncas ortogonales. Vx(ltcL + Aza2+ 4 s"¡ .

Vxl,t1cJ + Vx (la!a) + Vx 1,tuc"¡

= ftfto,ar- ftftu'ut

* ft¿gr,r,hr - ffifru"ut - &*'o.,^)- fr*",t'"^o

= *^[fit'"'"r -*,^,r,]- fr[ftr',a,-ft,r"^"r]

f;,,,'u] ft1f;u",",soghncl problema2l(ó), Esto sc pucdc€sctibir c¡r l¿ form¡ máscompact¡ h*t

Vt,r

=

a

,a\/¡a¿á

-j.;

üq

hzec

a

}6c,al

al

al

A1h1 A2h2 Ashsl

21. &(pr€sar vlP €o coordcnadas curviüncas ortogoDal€s.

V,/ = + $- = $ D e l p ro b l e malE, ' h1 du1

h" da"

.eo ¿'lt ig a"a

COORDENADASCURVILINEAS

s ,r=9ú,Entonces l. =1

v.¡

V

*

4,,

#r,

.=

*

"= i

Ott2

r ?,y'

, ,{s = .

*

hS óuC

i 51

y, según€l Í oblema22,

V2!.t

a ,h.h, á! .

f ¿ .h2h.a/ .

,r¡"Lau,t," á ; ' ' ¡ ¿ t

^,

a . i',¡, a¡, .l

a",'' üt

, " á il

I f A'n dS

drvA= v.A = jH. r\, @obleÍia 19, Cap. 6), eipresar y 'A cn coordenadas a¡rvilftreas ortogonales. Consideremos e¡ elemento de volumen lV c\ryas áñcnsiones, como se observan €n Ia figura adjunta, n htAu,, h/q, h,Au¡ S€an,A : lr e! + Are, + A, ety n el vector uni¡¡io normal extcrior a la superñcie /S del elemento * volu¡nen Á V cit2do. Ei la cara JKLP la norm¿l cs r : -er. Por Io tanto, y aproximadamente, tendr€mos Pf

| | ,r. n ¿s

= (A . n en el puntoP) (Arca dc .¡K¿P)

JltP =

l(1e1+

A1h2ha Au2&6

-

E¡la,(,¡ra EreE,b

+ Ase3).(-er)l (¡2rka82a¡¡s) A2e2

integralde superñciees 4 hzhsLr'2N1- ,

{^<1,

nrn"AarA""¡&,

infinitésifios de orden superioru Ou,O^/.r¡. es fugral dc sup€rñcic, -sprcciando A¿1 =

(¡"¡r¡" <L ona

^¡zAh) l¡ contribuciónde las seisc¿rasdc / zes f ¡

lfit,e'r,ro

+

La contribuciónneta de estasdos carasa la

+oul (/i A2&) A¿1A¿2A¿3 'l

á

+ A a"1a"za"g f;tAzhths\ ü(/s^1¡,)l

Xlvidicndo por cl volumcn h:¿J'[ Áu, /u, Au' y hallando el llrnitc cuando Áu,, Áu', A4 ticnden a cero' tilne

( ¡ r ¡ r ¡ " ) * 9 t r " ^ r , , r ll dr"a = V .r = ,,t,[ 3 r r r r " ^ " 1 * 9ot4 ot¡s 4h2h

LduT

J

obBérvcsequellegarlamosalmismoresultadosihubiésemosconsidcfadounelementode.volumen/./ en el problema 2l U qu" ¡, iuera ,i, c"rrtio. ¡n estecaso, ei cáiiulo se efcctuaría de forma análoga al rcalizado .H Cap. 4,

COORDENADÁS CURV¡LD{EAS

tt2 ú, A psrtL ds la dcñnición

(rot A). tr = (VxA). n = Uñ A3-o

I!!AS

(problcma 35, Cap. ó), cxpr€sa¡ V x A cn coordenad¡s curvilfncos ortoSonal€s. En prirncr lu8ar, c¡lculcmos (rot A) ' ct. Para cllo consider€nos la supcrñcic S¡ normal a c1GnP' como indica y aclara la ñgura adjunta. Scan' A : ,{¡ c¡ * A¡9 * A¿e1y Cr Gl contomo d€ S'' En €stas condicioncs t€ndrcmos,

/'^

9

^. ¿.

=

-c,' P 8 ü

.t

l¡ . ¿¡ '

, f ^.r,, f ^.r, tc

l^. r ,

.t

It

Admiticndolrs aprorinacion€3 (I)

f J

t.a,

=

(aenP).ltr&tcr¡

:

(,1r"1 + A2e2+ Ascal . (¡24u2.2)

I^'"= l^'" =

A2h2lrue +

(2)

- A2 h2 No

A2h2ü4.

ioüi Á2h2&t2¡ N.

xL o bicn,

=

-

(¡z

+

o¿3

A¡2) A¡¡g ^2

LT

AnálogampntG,

I n. n

Px o bion (3)

t ^ .n

¡tP

(4)

I

¿ea¡,s+ r,l"r"a,"l&" f ^, ,, = ,4s fi

(.1),(2'),(3), (4) s€obtiene Sumando /")) 0 r.¿r

=

UC,

-

+(rsAs&3)&, Ou2

=

l-:

[-trr,t"t"¡

(A2h2\udtNs ir ouo

>

-

despreaiandoinñnitésimos de orden superior a A¡¡, Az¡.

ü6"hd

'l

)

N"Lus

COORDENADAS CURVILINEAS

Dividindo por ol órca dc Sr quc v¿b á¿r'ílr.

(rora)..r =

*

y h¡ll.ndo cl llmiic c-r¡rndo/r, y .¿rr ticodca¡ @ro.

3*,r,^,,]

[*."or-

Anólogamcntolom¡ndo lr3 árcasS. y S. perpcndiculatcsa q y c¡ cn p rsp.ctivsmcntc, se obticm (rot A) . C y (rot A) . c.. For lo t¡nto el ncult¡do pcdido cs

(rotA =

- lt.,,n"t

- ft ,r"t"l]

. fr[*t--n,tu-ft.r"^",]

f,rGr }¿¡z

. ¡i fftt'"ta - ftt"a'] " #

ó

o

hq I ^dl l

?n, 49

a*

hr/iL

bAsl

i2A2

I

Al misnrotcullado s€ habrla llog¡do si hubiéscctocconsidcr¡dosl punto P.como ccnt¡o dcl ó¡ro &; cl cálcüto!c rlalizarla dc fonna análogaa conn sc hizo cn cl problana 36 dcl Cap. 6. . Exprcsaron coordcnadascillnd¡icss: (¿) V!D, (á) V'¿\ (c) V x A, (d) VS. En coo¡dco¡d¡¡ cillnüi<¡¡ (p,ó,¡), uf P,az.Ó.h.2; Y

L=he= r,

q'cp,

%=.ó, csaGz;

hz=tó= P, hs=,'z. t

(d)v e= i H " r ¿ H " i ffi " -

i # " -i # " ¿ *i 33"'

$ t . i S "' $ o =

#"[fi,r"^"ro

t ln<nnt,,tot " fto,r,rn]

#"" [+(orur)- $ (,',,u,r) - $ (r'ro,,)]

iG1*, -#,5*^",f sicndo A = Ap e a + A ó a 2+ A" e s , l .e, A L-A p,4= A ó,

h¡e1

(c)

Vx¡

=

I hthrh"

h2e2

ep

hseg

ooo

¡,'6¿;[ h1A1 h2A2 hsAs

=!

A B = A z.

Peó

"z

oód

P

ú&r; Ap PA6 A2

154

COORDENADAS CURV¡LINEAS

. Q*-,*) , . (¡**,-%*) ; [(# ]*^,,), (/) v'Q =

(*r).+(*#).*(*n)] # ['"'' #",[#(ryr) .* (T#).,*(ws¡1

¡* Q #')¡ # . # 2t. Expi,csa¡en coordcnadasesféricas:(a) V x A y (á) V.y. n1=r, uz=0, W-ói En ostccaso, ¡r",

¡r"o

¡.""

I a

a

a

|

( ¿' ) V x A =

t h1Áol'"

aL'e, e2=ca,cc=$ i ha-hr.l, h2ehg=¡,lo-h6=r*¡0_

?r, 3r" ?," | I ,l haar h2a2 h.As

¿f ,a0

-

(1,(')A*.8

aa

E6e

| scnác6

a

E

|

I

I

A7 rA, r *^t'^rl

- F#[{$r'*'o+t- $c^¿l* _

{#

_

$r,*oel't\,", . {*or,, _ *1,*oe"6]

(ó, v'ú=dE[+(+#) .*(**) .*(*#)] =*#*.a[*(*r'#) .#(=**) ,+(##)l =,h[-"'*('#). #(*"*Y) . * #] =

| t ?/" 4 ' ' \ -' \ . Fh t-*_ n ., 1' rÍ) . t* #- (*", uu) ¿óo

29. Escribi¡ la ccuación dc taplace cn coordcnadas cillnd¡icas perabólicas. Dcl problema t (á),

¡r=¡, 42:¡,, ¿o=r;

hr=Gi-ro,

ho. /71-oo, h.t

'rll COORDENADASCURVILINEAS

.

vzry' = Por,otanto, #,[*(*)

("."'#)]

- *

*(#)

t

l))

= .- -r r( *'#)'# b ecuación de Lapl"o

É,/ : 0, o bi"n,

"t

=o fu.{+ ,q,",,,¡t! dz. ¿u" du2

I

: xV'U de la transmisióndel calor por con-

E¡presaf en coordenadascilíndricaselipticasla ecuaciónff ducción.

;

tur i*-

fr u!=u, t'e=1), us=z i l,r=r,r=",,(ffi'f,llñiu¡, r

i" u

t

\

/

l¿fryl

h=1.

\

Porlo tanto,

/

ll

^

\ 'I

3la{ s enh' z * * .d'I ' ", $} l a, \au/ - a'\ - 3lg) )

¿'(senh'?¡/ +sen'v)L¿, \¿,/

lfu 't!1 {4 a"2 J ' 7"'

c{senhta r sen'r,) | ?u2 y la ecuaciónp€didaes

y = *{ .* l ?r" - *J} '* sen'v)iL*au2 a, I a(senh'a (OORDENADAS ¡.

7," I

EN UNA SUPERACIE

CURVILINEAS

: r (¡, v) viene dado por Demostrar que el cuadrado del el€m€ntode línea sobre la superñcier =

ds2

d. =

Tendrcmos Por lo tanto, ds2

=

Ed u 2

+

$a, du

Gdu2

* $a' du

d¡. tl¡

= +.+.h,2 + zS.*r,r, Ótt Ót) dtt du =

+

2F dudv

Edu2

t

2F dud ¿

+

_ *.*r,, ot) ot)

Cdo2

!¿. Demost¡ar que el elemento de área sobre la superficie r : r (,J,v) viene dado por

ds = ffi-fi

¿u¿,

El clemento de área es

= l+"* ds= l,$n",',$n,,1 1 0 " ,,= n C¿ dul ld¿ | ld¡ f fl $ ¡ 8 ,,.,ffi ,,,, El radicando es (problema 48, Capftulo 2)

,* '

du

Pr ,* 'P, du du

du

-,*'P ,,*'*, óu

du

= dv

du

E c -t r¿ q u e e s lo q u e s e q u e rí a d e mo s t ra r .

l

COORDENADASCURV¡L¡NEAS CURWLTNEAS

DTVEN,SOS SOBRE COORDENADAS

PROBLEMAS

33, S€a A un vector dado resp€cto de dos sistemasde coordenadas curvilíneas (¿¡' lrr, ¡¡) y (¿', ¿', ú'). relación entre las componéntes contravariantes dc dicho vcctor €n ambo8 sistemas. Las €cuacionesde transformación de las coordenad¿sen un sistem¡ r€ctanSular (r, y, z) a las (4, u., u.) y (úr, at út¡) vienen dadas por z = 1rlt'ltu2tus,,

I

(¡)

I x = xlí¡í2,tsl'¡,

f = r"4,¿2tt4l,

2 = 21(ut.t4.t4\

| = fz(út í2,ís\,

¿ = ¿z(ít-U,ía)

En estascondiciones, habrá unas fórmulas Oetransformación ¿irccta d€l primer sistema(n,, n', ,¡¡) al

(rr, ¿', ¿.), (21

¿1 = ¡1(4, ü2,üo),

u2 = ulí¡i,2,ísl

¿e = k(4' Q, üs)

,

y r€cfproc¿mente. De (1),

tt¡ = tsr,, ouL =

¿¡

*

+_ d¡1

:! díh Ou2

o¡l¡

= d.1 dq +

d2 du2

+

Q tlq

d-u" * o¡&.

=

d2 ¿:u2 +

d3 dl\

=

dtdú

#uo*

*"n*' +

+

úadi1

Por {o taDto, (3).

d1du1 | Dc (4,

dxl

l'2du2 + =

Qd4

+ l2d12

+

d¡a'u"

#' ,*S' a.ft' ' "

a",=ftaa,*fta"r*t r trs = ffr' ,* H r* -* r* Sustituyendo en (r) o igualando los coeficientesde dü1, d¡2, dEe de los dos miembros, se obtien€ a1

(11

o,#. oH .

d2

",*,

-

ús

"'*'

"#

t*,

. c "H

,*"

.

d"*

Ahora bicn, A so pucde expresar en los dos sistemasde coordenadas por (5)

A

=

siendo Cr,C2,Ca y (4) en

?u' =-

- dlir

--_ -

?¡. ?¡"

+ -q = --+

=

a

erdr+Qd"+d3d'"

dt,dz, Qhs componentes de A en lo3dos sistem¿s. contravadantes

c1d,L + c2 b lL. .

y

Cttta + c2c2 + csl€